Автор: Поздняков П.Г.
Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) электроника радиотехника
Год: 1978
Текст
СПРАВОЧНИК
ПО КВАРЦЕВЫМ
РЕЗОНАТОРАМ
СПРАВОЧНИК
ПО КВАРЦЕВЫМ
РЕЗОНАТОРАМ
Под ред. П. Г. ПОЗДНЯКОВА
Scanned & DJVUed
МОСКВА «СВЯЗЬ» 1978
32.844
С74
УДК 621.372.412(031)
АВТОРЫ В. Г. АНДРОСОВА, В. Н БАНКОВ, А. Н. ДИКИДЖИ.
В. А. ИЛЬИЧЕВ. А. Е. КАРАУЛЬНИК, П. Г. ПОЗДНЯКОВ, С. В РАХМА-
НИНОВ, И. М. ФЕДОТОВ, В. Н ХРИСТОФОРОВ
Справочник по кварцевым резонаторам/Ан-
С74 дросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др.;
Под ред. П. Г. Позднякова. — М.: Связь, 1978. —
288 с., ил.
Авт. указ, на обороте тит. л.
В пер.: 1 р. 30 к.
, Приводятся сведения о назначении, устройстве и принципе
действия кварцевых резонаторов, их электрических и эксплуата-
ционных характеристиках, классификации Описываются типы и
конструкции отечественных резонаторов Рассматриваются влияния
конструктивных и технологических факторов на параметры резона-
торов Даются сведения о методах испытаний резонаторов и изме-
рения их параметров
Справочник предназначен для инженерно-технических работни-
ков, занимающихся проектированием, производством и эксплуата-
цией кварцевых генераторов и фильтров
30602—131 ББК 32.844
С045(01)—78 17~78 6Ф2.13
I
© Издательство «Связь», 1978 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Кварцевые резонаторы являются важными элементами радиоэлек-
тронной аппаратуры (ЭРА). Несмотря на то что в аппаратуре ис-
пользуется небольшое их число, они тем не менее определяют ее
основные и весьма существенные характеристики. Успехи современ-
ной радиотехники, особенно техники связи и службы времени, во
многом обусловлены достижениями кварцевой стабилизации частоты
и частотной селекции. Тенденции развития радиоэлектроники тако-
вы, что требования к стабильности частоты и избирательности трак-
тов радиотехнических устройств быстро возрастают. Если первые
резонаторы, в 20—30-е годы представлявшие грубо обработанные
кварцевые пластины, помещенные без оболочки и какой-либо фикса-
ции между двумя обкладками, способны были обеспечить стабиль-
ность частоты порядка 10~3, то современные резонаторы обеспечи-
вают стабильность за долгое время порядка 10-6—10-8, а за корот-
кое — еще на два-три порядка выше. Вряд ли можно назвать дру-
гой элемент, основные параметры которого выполнялись бы со столь
высокой точностью, как у резонаторов. Требование на отклонение
частоты от номинального значения порядка 10-6 в настоящее время
является обычным. На протяжении многих лет изучались и разра-
батывались методы, позволявшие обеспечивать столь высокую точ-
ность.
Современное кварцевое производство отличается сложностью и
разнообразием процессов. Прогресс в улучшении характеристик ре-
зонаторов и методов их производства заметен за последние годы,
особенно в связи с использованием методов микроэлектроники в
кварцевом производстве. Влияние микроэлектроники выразилось как
в разработке резонаторов нового поколения—микрорезонаторов, сов-
местимых с микросхемами, так и в создании нового класса функ-
циональных устройств — интегральных кварцевых генераторов (ИКГ)
и фильтров (ИКФ). Конкуренция этих направлений заставила кон-
структоров и изготовителей существенно улучшить характеристики
микрорезонаторов, которые не уступают своим крупногабаритным
прототипам, а нередко и превосходят их.
Рассчитывать на сокращение производства резонаторов в связи
с быстрым ростом выпуска ИКГ и ИКФ нет оснований, так как ре-
зонаторы начинают широко использоваться в бытовых приборах, та-
ких- как наручные электронные часы, телевизоры, магнитофоны
и т д
Резонаторы являются типичными элементами частного примене-
ния, и номенклатура их весьма широка и разнообразна. Имеется не-
большое число резонаторов стандартных частот, которые потреби-
тель может приобрести из имеющегося наличия. В подавляющем
4
Предисловие
большинстве случаев -потребитель вынужден заранее заказывать и
согласовывать с изготовителем вопросы о поставках резонаторов с
требуемыми характеристиками. Часто заказ может быть выполнен
только после соответствующих опытно-конструкторских или научно-
исследовательских работ. Заказу на резонаторы обязательно пред-
шествует процедура согласования технических требований, и между
изготовителями и потребителями возникают определенные контакты
и взаимоотношения нередко на долгое время. Тесные и правильно
организованные контакты позволяют точно определять технические
требования и методы испытаний, своевременно выявлять недостатки,
обусловленные несовершенством конструкции и технологии производ-
ства, и избегать неожиданностей при их производстве и эксплуа-
тации. Важно, чтобы потребители могли правильно определять тех-
нические требования на резонаторы, учитывая технические возмож-
ности производства. С повышением технических требований трудно-
сти и длительность изготовления и, соответственно, стоимость резо-
наторов резко возрастают.
Справочник преследует цель сообщить потребителю минимум не-
обходимых сведений о принципе действия и устройстве резонаторов,
многообразии их типов и классификации, об основных конструктив-
ных, электрических и эксплуатационных характеристиках, методах
измерений и испытаний. Уделено внимание описанию новых перспек-
тивных типов резонаторов. Устаревшие типы, естественно, описаны
менее подробно. В справочнике дан краткий обзор состояния и пер-
спектив дальнейшего развития техники кварцевой стабилизации и
селекции частоты. В связи с развитием и широким распространени-
ем интегральных пьезоэлектрических устройств одна из глав посвя-
щена их описанию. В интегральных КГ и КФ используются бескор-
пусные кварцевые резонаторы, которые фигурируют как самостоя-
тельные ЭРА, выпускаемые по специальным техническим условиям.
Появление бескорпусных резонаторов определяет необходимость не
только точного выполнения предписаний по обращению с ними, но
и ясного представления о влиянии некоторых факторов на их ха-
рактеристики. Поэтому потребителям необходимо иметь сведения
о характере и особенностях кварцевого производства.
Существующие источники по кварцевым резонаторам либо уста-
рели (1—4], либо предназначены для специалистов разработчиков и
изготовителей резонаторов [5—10]. Ограниченная информация для по-*
требителей имеется в [11—13, 1'5].
Опыт и уровень технологии кварцевого производства на разных
предприятиях существенно различаются, поэтому сведения об уров-
не производства, влиянии конструктивных и технологических фак-
торов на качество резонаторов могут быть полезными также при
выборе поставщиков. В конце справочника даны сведения по обра-
щению с резонаторами в процессе их использования, испытаний и
эксплуатации в составе аппаратуры, а также советы по составле-
нию технических заданий на разработку и изготовление резонаторов.
Сведения о резонаторах-датчиках не приводятся, поскольку они
подробно описаны в [14].
Авторы отдают себе отчет в том, что создание первого отече-
ственного справочника по кварцевым резонаторам в момент, когда
происходит смена их типов и появляются резонаторы нового поко-
Предисловие
5
ления, связано с серьезными затруднениями, которые, возможно, не
во всех случаях успешно преодолены. Ограниченный объем позволя-
ет лишь в самом общем виде описать методы и особенности измере-
ний и испытаний. Тем не менее авторы надеются, что многим чи-
тателям сведения, приведенные в справочнике, окажутся полезными
в их практической работе.
Глава 1 написана П. Г. Поздняковым, гл. 2, 17 и 18 —
В. А. Ильичевым, гл. 3 — П. Г. Поздняковым и С. В. Рахманиновым,
гл. 4 — А. Е. Караульником (§ 4.5, 4.7, 4.9 — П. Г. Поздняковым,
§ 4.6 — В. А. Ильичевым), гл. 5 — В. Г. Андросовой и С. В. Рахмани-
новым, гл. 6 — В Н. Христофоровым, гл. 7—В. Н. Банковым и
П Г. Поздняковым, гл. 8—В. Н. Банковым, гл. 9—А. Н. Дикиджи
и П. Г. Поздняковым, гл. 10 и 14 — А. Н. Дикиджи, гл. 11 —В. Г. Ан-
дросовой, гл. 12 и 13 — В. Г. Андросовой и А. Н. Дикиджи, гл. 15 —
А. Н. Дикиджи и А. Е. Караульником, гл. 16—В. Н. Банковым и
И. М. Федотовым (§ 16.6 — В. Г. Андросовой), приложения — В. Г.
Андросовой и И. М. Федотовым.
Авторы выражают благодарность рецензентам Г. Б. Альтшул-
леру и А. Г. Смагину за внимательное рассмотрение рукописи и
многие ценные советы и замечания, учтенные при редактировании,
а также Ю. С. Снопову за предоставление некоторых материалов и
помощь при оформлении рукописи.
Замечания по справочнику следует направлять в издательство
«Связь» по адресу: 101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
В справочнике использованы термины, принятые в большинстве оте-
чественных источников по кварцевой стабилизации частоты [10, 23].
Обозначения основных параметров резонаторов приведены в
соответствии с международной нормалью МЭК [23] Для основных
терминов в соответствующих разделах приведены определения.
Для некоторых часто повторяющихся терминов использованы
сокращения. Например, эквивалентные (динамические) сопротивле-
ние, индуктивность и емкость в тексте называются просто сопро-
тивлением, индуктивностью и емкостью резонатора. Прилагательное
«эквивалентное» или «динамическое» при этом опускается. Под не-
стабильностью или изменением частоты всегда подразумеваются от-
носительные ее нестабильность или изменение.
СОКРАЩЕНИЯ
ЭРА — элемент радиоэлектронной аппаратуры
ПЭ — пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент)
КЭ — кварцевый элемент
КВ — кварцевый вибратор
КГ — кварцевый генератор
КФ — кварцевый фильтр
ИПУ — интегральное пьезоэлектрическое устройство
ИКГ — интегральный кварцевый генератор
ИКФ — интегральный кварцевый фильтр
ТК—температурный коэффициент
ТКЧ — температурный коэффициент частоты (дифференциальный)
ТКЧср — средний температурный коэффициент частоты
ТДКЧ — температурно-динамический коэффициент частоты
ТКС — температурный коэффициент эквивалентного сопротивления
СКЧ — силовой коэффициент частоты
ИСКЧ — интегральный силовой коэффициент частоты
ТЧХ — температурно-частотная характеристика
ЧВХ — частотно-временная характеристика
ПАВ — поверхностные акустические волны
ПВУ — устройство, основанное на использовании акустических по-
верхностных волн
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Р — электрическая поляризация
t — механическое напряжение, время
d — пьезоэлектрический модуль
Условные обозначения
7
е
г
с
V
Е
F
V
Го
Г8, Гм
Q
Со
bf/f
H=f-fl
fr
fa
fl*
Ria(ESR)
L\9, Cia, Соэ
Ri
Li
Ci
п
Rn> Ln, Сп
k
Р
Ь/
X, Y, Z
а, ₽, Y
Л1, Й2> «3
а/, ар) ас, аь
£
f
— пьезоэлектрический коэффициент
— деформация, электромеханическое отношение
— коэффициент жесткости
— скорость упругих волн
— напряженность электрического поля
— сила
— электрическое напряжение
— полная потенциальная энергия деформированного
пьезоэлектрика
— потенциальная, электрическая и механическая энер-
гии деформированного пьезоэлектрика
— электрический заряд, добротность резонатора
— емкость пьезоэлемента и параллельная («статиче-
ская») емкость резонатора, включающая и емкость
кварцедержателя
— эквивалентное (динамическое) сопротивление резона-
тора
— эквивалентная (динамическая) индуктивность резо-
натора
— эквивалентная (динамическая) емкость резонатора
— порядок колебаний
.— соответственно эквивалентные сопротивление, индук-
тивность, емкость на частоте n-порядка колебаний
— коэффициент электромеханической связи
— плотность кварца
— частотный размер пьезоэлемента
— кристаллофизические оси кварца соответственно элек-
трическая, механическая и оптическая
— углы поворотов (срезов) кварцевых пластин
— температурные коэффициенты частоты резонатора со-
ответственно первого, второго и третьего порядков
— температурные коэффициеиты частоты, плотности,
жесткости и линейного расширения ПЭ
— частота последовательного резонанса резонатора
— частота параллельного резонанса резонатора
— рабочая частота резонатора, частота, близкая к час-
тотам fi и f2
— относительное изменение частоты резонатора
— абсолютная расстройка
— частота резонанса — низшая из двух частот, соответ-
ствующих Хр=Вр=0
— частота антирезонанса — высшая из двух частот, со-
ответствующих Лр=Вр=0
— частота последовательного резонанса приведенного
резонатора
— эквивалентное последовательное сопротивление
— эквивалентные реактивные параметры приведенного
резонатора, состоящего из кварцевого резонатора с
последовательно подключенным реактивным элемен-
том
— частота параллельного резонанса двухполюсника, со-
стоящего из кварцевого резонатора с параллельно
подключенным конденсатором
8 Условные обозначения
Яга(ЕР^) — эквивалентное параллельное сопротивление, т. е. ре- зонансное сопротивление двухполюсника, состоящего из кварцевого резонатора с параллельно подключен- ным конденсатором
иР — падение напряжения на резонаторе (действующее
значение гармонической составляющей) — действующее значение тока, протекающего через резонатор
— мощность, рассеиваемая на резонаторе
Рр 1, b, s Т Го — действующее значение тока, ' протекающего через — частотный коэффициент — соответственно длина, ширина и толщина ПЭ — температура — температура, соответствующая точке нулевого ТКЧ резонатора
Пьезоэлектрические резонаторы
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАЗНАЧЕНИЕ
Пьезоэлектрические резонаторы, как это видно из названия, принад-
лежат к классу устройств, действие которых основано на исполь-
зовании пьезоэлектрического эффекта. Большинство этих уст-
ройств — электромеханические преобразователи, превращающие в
тех или иных практических целях механическую энергию в электри-
ческую или наоборот и имеющие механические и электрические вхо-
ды и выходы. В отличие от таких устройств, пьезоэлектрические ре-
зонаторы являются чисто электрическими двухполюсными или мно-
гополюсными элементами, предназначенными для включения в элек-
трические цепи радиоэлектронной аппаратуры, и не имеют механи-
ческих входов или выходов. Пьезоэлектрический резонатор является
электромеханической системой пьезоэлектрического типа. Основным
электрическим параметром резонаторов является частота, вблизи ко-
торой изменение импеданса имеет резонансный характер. Эта час-
тота является жестко фиксированной, и каких-либо устройств для
ее изменения пьезоэлектрические резонаторы обычно не имеют.
Избирательный характер импеданса пьезоэлектрических резона-
торов определяет области их применения — цепи частотной селекции
различных радиотехнических устройств, преимущественно генерато-
ров электрических колебаний с высокой стабильностью частоты и
электрических фильтров с большой избирательностью.
В отличие от большинства других ЭРА, пьезоэлектрические резо-
наторы являются типичными элементами частного применения, их
изготовляют и поставляют в точном соответствии с заявками по-
требителей по частным техническим условиям. Это обусловлено ог-
ромным разнообразием номиналов частот, используемых в технике
связи, различиями назначения резонаторов и требований к их пара-
метрам.
Пьезоэлектрические резонаторы принято различать по виду пье-
зоэлектрика, из которого выполнены их основные элементы. Пьезо-
электрические резонаторы с элементами из кристаллов кварца на-
зывают пьезокварцевыми или просто кварцевыми; резонаторы с эле-
ментами из особой керамики, обладающей пьезоэлектрическими
свойствами,—пьезокерамическими. Известны и нашли практическое
использование резонаторы из кристаллов виннокислого калия (со-
кращенно КВ или ДКТ) и виннокислого этилендиамина (сокращен-
но ЭДВ или ЭДТ), соответственно называемые КВ резонаторами и
ЭДВ резонаторами. Исследованы и, по-видимому, получат практи-
ческое применение пьезоэлектрические резонаторы из кристаллов
танталата лития. Несмотря на поиски и исследования кристаллов
многих веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, лишь
немногие из них пригодны для изготовления резонаторов. Кварце-
10
Пьезоэлектрические резонаторы
вые резонаторы по сравнению с резонаторами из других кристал-
лов обладают наибольшей стабильностью частоты, наиболее высо-
кой добротностью, что определило их широкое распространение и
важное техническое значение.
1.2
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Пьезоэлектрический эффект или, сокращенно, пьезоэффект наблю-
дается в диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых
веществ, обладающих определенной достаточно низкой симметрией.
Пьезоэффект может наблюдаться в так называемых ацентрических
кристаллах, не имеющих центра симметрии Кристаллы и вещества,
обладающие пьезоэлектрическими свойствами, называют пьезоэлек-
триками.
Внешние механические силы, определенным образом действующие
на пьезоэлектрик, вызывают не только механические напряжения и
деформации, но и его электрическую поляризацию, а следователь-
но, и возникновение на его поверхности связанных электрических
зарядов При изменении направления внешних сил на противопо-
ложное изменяются направление вектора поляризации и знаки по-
верхностных зарядов Заряды, возникающие вследствие деформации
пьезоэлектрика, называют пьезоэлектрическими. Описанное явление
называют прямым пьезоэффектом
Пьезоэлектрические явления обратимы. При воздействии на
пьезоэлектрик электрического поля в нем возникают механические
напряжения и деформации При изменении направления электриче-
ского поля на противоположное соответственно изменяются и на-
правления механических напряжений и деформаций Деформации,
возникающие в пьезоэлектрике в результате воздействия электриче-
ского поля, называют пьезоэлектрическими Такое явление называ-
ют обратным пьезоэффектом.
Пьезоэффект как обратный, так и прямой является линейным и
может быть описан линейными зависимостями. Для прямого пьезо-
эффекта справедлива зависимость, связывающая поляризацию Р с
механическим напряжением /:
P = dt, (1.1
где коэффициент пропорциональности d называют пьезоэлектричес-
ким модулем (пьезомодулем) Зависимость (1.1) называют уравне-
нием прямого пьезоэффекта. Поскольку в упругих телах напряжения
и деформации связаны линейной зависимостью (закон Гука), прямой
пьезоэффект может быть описан также формулой, связывающей по-
ляризацию с деформацией:
Р = ег. (1.2)
Здесь г — деформация, а е — так -называемый пьезоэлектрический
коэффициент, связанный с пьезомодулем d зависимостью
e = cd, (1.3)
где с — коэффициент, характеризующий упругие свойства пьезоэлек-
трика
Пьезоэлектрические преобразователи
11
Обратный пьезоэффект описывается зависимостями
r = d£, t — eE, (1.4)
называемыми уравнениями обратного пьезоэффекта. Здесь £—на-
пряженность электрического поля.
Приведенные выражения даны в элементарной форме только
для уяснения качественной стороны явлений.
Пьезоэлектрические явления в кристаллах сложны Поляриза-
ция может возникать в результате как нормальных, так и каса-
тельных напряжений и соответственно деформаций сжатия-растяже-
ния и сдвига. Направление (вектор) поляризации не всегда совпа-
дает с направлением механических напряжений и деформаций. Если
направление поляризации совпадает с направлением напряжения
или деформации, пьезоэффект называют продольным, в отличие от
поперечного пьезоэффекта, при котором направление поляризации
перпендикулярно направлению механического напряжения или де-
формации1. Величина пьезоэффекта зависит от направления внешне-
го (механического или электрического) воздействия относительно ос-
новных осей кристалла В кристаллах имеются направления, для
которых пьезоэффект оказывается наибольшим, однако могут быть
и такие, для которых пьезоэффект не наблюдается. Сказанное выше
в отношении прямого пьезоэффекта справедливо и в отношении
обратного
Напряженное состояние твердого упругого тела описывается так
называемым тензором напряжений, имеющим шесть компонент, а
поляризация и напряженность поля—векторами, имеющими три
компоненты, поэтому пьезоэффект описывается системой линейных
уравнений, связывающих компоненты механических напряжений или
деформаций с электрическими компонентами поляризации или на-
пряженности поля В общем случае пьезоэлектрические свойства
описываются 18 уравнениями типа (1 1)—(1 4), содержащими 18
пьезоэлектрических модулей или пьезоэлектрических коэффициентов.
Величины пьезоэлектрических модулей и коэффициентов служат ме-
рой пьезоэффекта. Подробные сведения об этом имеются в [8, 16,
17]
1.3
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преоб-
разователями, способными преобразовывать механическую энергию
в электрическую и наоборот. Известно большое число устройств,
основанных на применении прямого или обратного эффекта. Пре-
образователи, использующие прямой пьезоэффект, называют преоб-
разователями-генераторами, а обратный — преобразователями-двига-
телями. В первом случае преобразователь имеет механический вход
и электрический выход, во втором — наоборот. Прямой пьезоэффект
используют в микрофонах, датчиках механических перемещений и
ускорений, звукоснимателях, зажигалках для газа' и прочее; об-
’ За направление касательных напряжений и деформаций сдвига прини-
мают нормаль к плоскости сдвига
12
Пьезоэлектрические резонаторы
ратный — в телефонах, громкоговорителях, ультразвуковых излуча-
телях, реле.
Пьезоэлектрический резонатор, являясь электромеханическим
преобразователем, имеет только электрические входы и выходы.
Механических входов и выходов этот преобразователь не имеет, и
его механическая сторона непосредственно не используется1. Меха-
нические явления в нем являются чисто внутренними, как бы про-
межуточными. Тем не менее они весьма существенны, поскольку оп-
ределяют основные электрические характеристики резонатора, та-
кие, как частота, добротность и пр.
Действие пьезоэлектрического резонатора легче понять, если
рассмотреть явления в пьезоэлектрическом преобразователе. В каче-
Рис. 1,1. Пьезоэлектрический преобразователь в
режиме обратного (а) и прямого (б) пьезоэффекта
стве преобразователя возьмем пьезоэлектрический элемент (пьезоэле-
мент, ПЭ), представляющий определенной геометрической формы
тело из пьезоэлектрика, снабженное двумя обкладками, называемы-
ми иначе электродами, к которым можно присоединить источник
внешнего электрического напряжения или прибор для регистрации
электрического напряжения, например вольтметр. Такой ПЭ по сво-
ему устройству представляет электрический конденсатор с твердым
диэлектриком, обладающим пьезоэлектрическими свойствами. Нали-
чие пьезоэффекта определяет некоторые особенности такого конден-
сатора.
На рис. 1.1 схематично изображен ПЭ в виде прямоугольного
параллелепипеда, на паре противоположных граней которого распо-
ложены электроды 1 и 2. Рассмотрим в общих чертах явления, на-
блюдаемые при обратном пьезоэлектрическом преобразовании. Для
Резонаторы-датчики механических сил составляют исключение.
Пьезоэлектрические преобразователи
13
определенности положим, что в рассматриваемом преобразователе
использован поперечный пьезоэффект и поле, направленное по тол-
щине, вызывает напряжения и деформации в направлении длины
пьезоэлемента. Силы F и —F, растягивающие или сжимающие ПЭ
по его длине (показано пунктиром на рис. 1.16), вызывают поля-
ризацию по толщине и возникновение зарядов на его широких гра-
нях, на которых расположены электроды. Если ПЭ соединить с ис-
точником постоянного напряжения U (рис. 1.1а), то последний со-
общит ему заряд Q и энергию Wq=0,5 C0U2, где Со—емкость ПЭ.
Поскольку ПЭ не имеет механических нагрузок и может свободно
деформироваться, присоединение электродов к источнику напряже-
ния сопровождается механической деформацией пьезоэлектрика и
преобразованием части полной электрической энергии в меха-
ническую, т. е. энергию Wo, можно представить в виде суммы
№м + Гэ, где WM—механическая энергия (энергия упругой дефор-
мации пьезоэлектрика), a Wa^ часть полной электрической энергии.
Опыт с описанным выше преобразователем можно осуществить
в условиях внешней механической нагрузки, которая лишает его
возможности деформироваться. Такой нагрузкой может быть за-
жим, жесткость которого много больше жесткости ПЭ. При этом
обнаруживается уменьшение емкости ПЭ и, следовательно, умень-
шение заряда Q и энергии №0, сообщаемой источником напряже-
ния. Поскольку ПЭ лишен возможности деформироваться, преоб-
разования электрической энергии в механическую не происходит,
компонента №м = 0.
В случае прямого пьезоэлектрического преобразования, когда на
ПЭ действуют сжимающие силы, последние сообщают ему энергию
упругой деформации 1Г'О, которая может быть рассчитана, если из-
вестна жесткость ПЭ. Поскольку одновременно на электродах воз-
никают заряды и электрическое напряжение U, то часть энергии №%
превращается в электрическую и энергия W'o может быть представ-
лена в виде суммы W'b + W'm, где — электрическая энергия, а
W'M — часть полной механической энергии W'o. Энергию 1ГЭ можно
определить, измерив напряжение U и емкость ПЭ. Если электроды
ПЭ замкнуть накоротко, то действие внешней силы уже не сопро-
вождается преобразованием механической энергии в электрическую,
т. е. №'э = 0. Это должно проявляться как уменьшение жесткости
ПЭ. Опытная проверка этого явления возможна, но представляет
известные трудности, поскольку деформации кристалла очень малы,
а изменение жесткости невелико и составляет всего несколько про-
центов.
Из термодинамики следует, что электрический режим ПЭ влия-
ет на его механические (упругие) параметры, так же как и его ме-
ханическое состояние на электрические параметры (емкость). По-
этому возможность электромеханического преобразования в пьезо-
электрике предполагает взаимную зависимость его упругих и ди-
электрических коэффициентов. Иными словами, упругие коэффици-
енты пьезоэлектрика зависят от его электрического состояния и,
наоборот, его механическое состояние определяет величины диэлек-
трических коэффициентов [16, 17].
14
Пьезоэлектрические резонаторы
1.4
КОЭФФИЦИЕНТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Наиболее полно пьезоэффект характеризует отношение преобразо-
ванной энергии ко всей сообщенной ему энергии:
№м/г0 = (1,5)
где №'э — электрическая энергия, возникшая в результате преобра-
зования полной механической энергии W'o, сообщенной ПЭ; —
механическая энергия, возникшая в результате преобразования из
части полной электрической энергии Wo, сообщенной ПЭ, а к —
коэффициент электромеханической связи.
Преобразование энергии в пьезоэлектрическом преобразователе
не может быть полным и определяется значениями пьезоэлектриче-
ских, упругих и диэлектрических коэффициентов кристалла. Величи-
на преобразования зависит от формы и ориентации пьезоэлемента и
направления приложенных внешних воздействий (механических или
электрических). Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к
которым принадлежит кварц, к составляет несколько процентов, од-
нако для сильных пьезоэлектриков, например для пьезоэлектриче-
ской керамики, кристаллов сегнетовой соли, к может достигать
50—90%. Коэффициент к определяет такую существенную характе-
ристику пьезоэлектрического резонатора, как относительная ширина
его резонансной кривой, которая тем шире, чем больше величина к.
1.5
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Для электрической цепи пьезоэлемент представляет нагрузку, подоб-
ную электрическому конденсатору Тем не менее его поведение в
электрической цепи имеет существенные особенности. Рассмотрим
более подробно явления, наблюдаемые при включении ПЭ к источ-
нику переменного синусоидального напряжения.
В.течение первой четверти периода при изменении внешнего на-
пряжения от нуля до некоторого максимального значения происхо-
дят заряд емкости ПЭ и накопление энергии как в электрической,
так и в механической формах. В это время ПЭ действует в режиме
•обратного пьезоэффекта, т. е. как преобразователь-двигатель. С того
момента, когда внешнее напряжение начинает уменьшаться (начало
второй четверти периода), ПЭ разряжается, отдавая накопленную
им в течение предшествующей четверти периода энергию во внеш-
нюю цепь. Он возвратит ее полностью, когда внешнее напряжение
станет равным нулю, т. е. в конце второй четверти периода. Таким
образом, во вторую четверть периода ПЭ действует как преобразо-
ватель-генератор, т. е. в режиме прямого пьезоэффекта. Следующий
полупериод явления повторяется с той разницей, что направление
тюка в цепи ПЭ оказывается противоположным.
Следовательно, в цепи механически свободного ПЭ можно вы-
делить компоненту электрического тока, обусловленную явлением
электромеханического преобразования, которую называют пьезото-
ком. На низких частотах, когда в расчет можно не принимать ре-
Принцип действия резонатора
15
акцию (ийерцию) массы и потери самого ПЭ, пьезоток является
чисто емкостным и увеличивает величину тока в цепи ПЭ. Величина
пьезотока определяется значением коэффициента электромеханиче-
ской связи. Для сильных пьезоэлектриков пьезоток оказывается зна-
чительным, соизмеримым по величине с емкостным током ПЭ. Для
слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежит кварц, величина
пьезотока незначительна.
При наличии механических нагрузок, ограничивающих частично*
или полностью деформации ПЭ, электромеханическое преобразова-
ние уменьшается или прекращается при полном зажатии ПЭ. Соот-
ветственно уменьшается или полностью исчезает компонента пьезо-
тока. Действие пьезоэлектрического резонатора обусловлено как об-
ратным, так и прямым пьезоэффектами. В некоторых источниках
неправильно указывается, что действие резонатора основано на ис-
пользовании обратного пьезоэффекта.
1.6
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РЕЗОНАТОРА
Опыт показывает, что проводимость ПЭ в цепи переменного тока,,
частота которого плавно изменяется в широких пределах от самых
низких частот, имеет емкостный характер. Однако на некоторых час-
тотах обнаруживаются аномалии проводимости. Последняя заметно
возрастает и достигает некоторого максимального значения, приоб-
ретая при этом активный характер. При дальнейшем повышении
частоты проводимость, уменьшаясь, достигает некоторого минималь-
ного значения и вновь имеет активный характер. Дальше с повы-
шением частоты проводимость снова становится емкостной. В отно-
сительно узкой области частот между экстремальными значениями
проводимость имеет индуктивный характер. Наблюдаемые анома-
лии проводимости имеют типично резонансный характер.
Резонансные явления в электрической цепи ПЭ обусловлены ре-
зонансами механических колебаний ПЭ. На низких частотах, дале-
ких от частот собственных механических колебаний, ПЭ представ-
ляет механическую систему, управляемую ее урругостью. Это зна-
чит, что величина деформации ПЭ определяется только упругими
характеристиками (жесткостью) ПЭ при заданной величине внеш-
него механического или электрического воздействия. Влиянием инер-
ции массы ПЭ на амплитуду деформации при этом можно прене-
бречь. Однако по мере повышения частоты колебаний реакции
массы ПЭ возрастает, становится все более заметной и соизмери-
мой с реакцией упругости ПЭ. Частота механических колебаний ПЭ,
при которой реакции массы и упругости равны, есть частота меха-
нического резонанса. Амплитуда колебаний при этом возрастает и
уже определяется не упругими и инерционными свойствами ПЭ, а
величиной механических потерь, например трением, акустическим
излучением, потерями в присоединенных к ПЭ механических нагруз-
ках -и т. д. Если добротность ПЭ как механической колебательной
системы есть Q, то можно считать, что амплитуда механических
смещений (деформаций) на частоте резонанса в Q раз больше, чем
на низких частотах вне области резонанса. Поскольку пьезоток про-
порционален амплитуде деформации, его величина на частоте ме-
ханического резонанса соответственно возрастает и в электрической
16 Пьезоэлектрические резонаторы
цепи ПЭ наблюдаются характерные резонансные явлений, в точ-
ности соответствующие механическим резонансным явлениям. Та-
кова вкратце природа резонансных явлений, наблюдаемых в элект-
рической цепи ПЭ.
Явления резонанса имеют место для тех видов колебаний ПЭ,
деформации которых возбуждаются пьезоэлектрически. Если часто-
та внешнего электрического напряжения совпадает с частотой ка-
ких-либо механических собственных колебаний, которые пьезоэлек-
трически не возбужда/Отся, резонанса в электрической цепи наблю-
даться не будет или он будет очень слабо выражен и обусловлен
наличием электрических или механических связей.
( / ] Рис 12 Пьезоэлектрический четы-
J ~
Из сказанного выше следует, что для пьезоэлектрического резо-
натора существенно важно, чтобы механические нагрузки на ПЭ,
вносящие потери и увеличивающие его затухание, были по возмож-
ности незначительны Это требование, которое далеко не всегда про-
сто выполнить, определяет особенности устройства и конструкции
резонаторов. Поэтому пьзоэлементы обычно крепят в узлах меха-
нических смещений, оставляя его поверхности свободными от меха-
нических нагрузок даже таких, как воздушная среда.
Практическое применение нашли многополюсные, преимущест-
венно четырехполюсные, резонаторы. Четырехполюсный резонатор
имеет ПЭ с двумя парами электродов, из которых одна представля-
ет вход, а другая — выход четырехполюсника. На рис. 1 2 схема-
тично показано устройство такого четырехполюсного ПЭ. Это уст-
ройство иногда удобно рассматривать как совокупность двух пьезо-
электрических преобразователей, из которых один действует в режи-
ме обратного пьезоэффекта, т. е как преобразователь-двигатель, а
другой—в режиме прямого пьезоэффекта, т. е. как преобразователь-
генератор Оба преобразователя механически связаны между собой,
что определяет передачу энергии от одного преобразователя к дру-
гому. При включении одной пары электродов ПЭ к источнику элек-
трического напряжения последнее из-за обратного пьезоэффекта вы-
зывает деформацию всего объема пьезоэлектрика, вследствие чего на
второй паре электродов возникают пьезоэлектрические заряды и на-
пряжение как результат прямого пьезоэффекта
Такие многополюсные ПЭ напоминают обычный электромагнит-
ный трансформатор, поэтому их часто называют пьезоэлектрически-
ми трансформаторами, или пьезотрансформаторами Из обще-
го принципа следует, что электрическое напряжение на второй
паре электродов сдвинуто на 180° по отношению к напряже-
нию, приложенному к первой паре электродов Использование че-
тырехполюсных ПЭ во многих случаях дает значительные преиму-
щества, существенно упрощая схемы и конструкции устройств, в
которых они используются. Их применение устраняет нежелатель-
ные кондуктивные связи в схемах устройств, осуществляет необхо-
Эквивалентная электрическая схема резонатора 17
димые фазовые сдвиги, уменьшает связи между соединяемыми це-
пями Многополюсный резонатор эквивалентен нескользким резона-
торам, частоты которых одинаковы. В многополюсных резонаторах,
используя соответствующую коммутацию пар электродов, можно
достичь, например, повышения выходного напряжения и преобразо-
вания импеданса
Рис 1 3 Эквива-
лентная электри-
ческая схема пье-
зоэлектрического
резонатора и ее
элементы
1.7
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕЗОНАТОРА
Характер изменения проводимости ПЭ в области частот, близких
к резонансным, оказывается таким же, как у электрического коле-
бательного контура с сосредоточенными параметрами, что дало ос-
нование описывать ее при помощи соответствующей эквивалент-
ной электрической схемы (схемы замещения) и системы эквивалент-
ных электрических параметров. Напомним, что
первый резонанс, характеризующийся высокой
проводимостью, наблюдается на более низкой ча-
стоте, чем второй резонанс с ’низкой проводимо-
стью Первый резонанс напоминает резонанс на-
пряжений последовательного колебательного кон-
тура Второй резонанс похож на резонанс токов
параллельного колебательного контура
Такой резонансный характер проводимости
позволяет использовать в качестве эквивалентной
электрической схемы схему, изображенную на
рис 1.3 и представляющую электрический колеба-
тельный контур. Одна ветвь этого контура пред-
ставляет последовательное соединение катушки
индуктивности Llt конденсатора Ct и резистора
₽i. Вторая ветвь содержит конденсатор Со Эле-
менты эквивалентной электрической схемы резона-
тора не вполне правильно называют эквивалент-
ными электрическими (динамическими) парамет-
рами Термин динамические параметры по отно-
шению к элементам и параметрам электрической
эквивалентной схемы неудачен еще и потому, что динамическими па-
раметрами называют и параметры механической эквивалентной схе-
мы резонатора, о которой речь идет ниже
Элементы Lit Ci и 7?i называют соответственно динамическими
или эквивалентными индуктивностью, емкостью и сопротивлением.
Емкость Со называют статической или параллельной емкостью ре-
зонатора. Термин статическая емкость неправильно употреблять
по отношению к элементу Со, поскольку он не остается постоянным
и зависит от режима колебаний (частоты) ПЭ [19]. Правильнее на-
зывать эту емкость, как подчеркивается в ряде источников [19, 18],
параллельной емкостью резонатора. В дальнейшем мы будем при-
держиваться этого термина. Параллельная емкость включает не толь-
ко емкость ПЭ, но и емкость других элементов, например кварцедер-
жателя, монтажа или специально присоединенных конденсаторов.
Для пьезоэлектрических резонаторов с ПЭ из сильных пьезоэлекг-
18
Пьезоэлектрические резонаторы
риков, напоимер пьезокерамических, различие емкостей свободного
и заторможенного ПЭ может быть весьма существенным (почти в
2 раза) Поэтому измерять емкость Со необходимости частоте, мно-
го выше резонансной, так как ПЭ при этом не совершает практи-
чески механических колебаний, поскольку реакция массы превосхо-
дит упругую реакцию. Для кварца, являющегося слабым пьезоэлек-
триком, коэффициент электромеханической связи не превосходит
10%, и емкости свободного и заторможенного ПЭ различаются всего
на 1%, поэтому не обязательно измерять Со на частоте, много
больше резонансной.
Значения индуктивности Ц и емкости С] определяются физи-
ческими константами пьезоэлектрика, размерами, ориентацией и
формой ПЭ и электродов, видом механических колебаний и некото-
рыми другими факторами. Их расчет связан со значительными труд-
ностями и не во всех случаях дает необходимую точность. Суще-
ствуют эмпирические зависимости, связывающие геометрические ха-
рактеристики ПЭ и электродов с указанными параметрами, что су-
щественно облегчает расчеты и дает большую точность. Однако как
теоретические, так и эмпирические формулы для расчета этих пара-
метров имеют значение преимущественно для изготовителей резо-
наторов. Потребители практически не могут ими воспользоваться и
должны руководствоваться значениями, содержащимися в паспор-
тах или полученными в результате измерений.
Параметр Ri во многом определяется конструкцией резонатора
и технологией его изготовления, и надежные его значения могут
быть получены только в результате непосредственных измерений,
тем более что разбросы этого параметра для одной партии резона-
торов могут достигать нескольких сотен процентов.
Следует иметь в виду, что из четырех параметров только пара-
метр Со имеет конкретное физическое воплощение и может быть не-
посредственно измерен. Остальные три являются фиктивными в том
смысле, что они не существуют в виде конкретных отдельных эле-
ментов. Они могут быть определены в результате косвенных изме-
рений и соответствующих расчетов
Первый резонанс, соответствующий максимуму проводимости,
иногда называют механическим резонансом, второй резонанс, соот-
ветствующий минимуму проводимости, называют электромеханиче-
ским. Этим термином подчеркивают, что частота и характер полно-
го сопротивления определяются совокупным взаимодействием меха-
нической колебательной системы с электрическим элементом — па-
раллельной емкостью Со-
Приведенная выше схема замещения резонатора справедлива и
достаточно точно описывает проводимости ПЭ или резонатора
только в узкой области частот вблизи резонанса. Реальные резона-
торы имеют несколько, иногда очень много резонансов, обуслов-
ленных механическими резонансами различных видов колебаний.
Если частоты резонансов оказываются близкими настолько, что
обнаруживается заметная связь колебаний, приведенная выше схема
замещения оказывается неприемлемой. Если частоты резонансов до-
статочно удалены друг от друга, то для каждого может быть ис-
пользована эта схема замещения с соответствующими значениями
эквивалентных параметров. Если резонатор имеет п резонансов раз-
личных частот, то его эквивалентную схему можно представить в
Эквивалентные механические параметры
19
виде ряда п последовательных колебательных контуров, соединен-
ных параллельно между собой и нагруженных общей параллельной
емкостью Со, как показано на рис. 1.4.
Рис. 1 4 Эквивалентная электри-
ческая схема пьезоэлектрическо
го резонатора, отражающая на-
личие нескольких резонансов
на разных частотах
1.8
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Подавляющее большинство типов ПЭ представляет механические
колебательные системы с распределенными параметрами — массой,
упругостью и фрикционным сопротивлением. Пьезоэлемент, соверша-
ющий тот или иной вид собственных механических колебаний, час-
то удобно представить в виде эквивалентной механической колеба-
тельной системы с сосредоточенными параметрами и одной степенью
свободы. Такой эквивалентной системой может быть, например, пру-
жинный маятник в виде закрепленной одним концом невесомой пру-
жины с точечной массой и фрикционным сопротивлением на сво-
бодном конце. Значения эквивалентных механических параметров —
эквивалентных массы, жесткости и коэффициента трения — опреде-
ляются из условий эквивалентности обеих систем — равенства их
кийетических энергий для любого момента времени. Исходя из
распределения амплитуд механических смещений и напряжений
(деформаций) по объему ПЭ, эквивалентные механические парамет-
ры мопт быть определены, если закономерности распределения ам-
плитуд известны. Эквивалентная масса всегда меньше массы ПЭ,
поскольку собственные колебания характеризуются неравномерным
распределением амплитуд смещений и часть объема ПЭ совершает
колебания с малыми амплитудами или практически находится в
покое
Эквивалентная механическая схема привела, как известно, к
представлению об эквивалентной электрической схеме. Следует иметь
в виду, что в данном случае имеет место не просто формальное ис-
пользование метода электромеханических аналогий, а более глубокая
физическая связь, обусловленная тем, что ПЭ представляет реаль-
ную электромеханическую систему. При этом эквивалентная индук-
тивность отображает инерционные характеристики ПЭ для данно-
го вида колебаний, т. е. его эквивалентную массу, а эквивалентная
20
Пьезоэлектрические резонаторы
емкость — его упругие свойства — эквивалентную гибкость, точнее,
ту ее долю, которая обусловлена электромеханическим преобразо-
ванием.
Доказано [18], что эквивалентные электрические и механические
параметры связаны между собой следующими зависимостями:
Ly = г Му, Cy — X/rGy, R^rR^,
где Alt, и — эквивалентные массы, жесткость и коэффициент
трения, аг — так называемое электромеханическое отношение.
1.9
ЕМКОСТНОЕ ОТНОШЕНИЕ И ЕМКОСТНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
Из анализа эквивалентной электрической схемы следует прибли-
женное равенство
(?2-Ш1 = Су/2С0. (1.6)
Это отношение, называемое емкостным отношением, является важ-
ной характеристикой резонатора, определяющей величину относи-
тельного резонансного промежутка резонатора. Однако принято ис-
пользовать также другое отношение — Со/С1( называемое емкостным
коэффициентом и которое характеризует отношение электрической и
механической энергий при колебаниях резонатора. Малые значения
емкостного коэффициента характеризуют поэтому более активные
резонаторы. Емкостный коэффициент связан с коэффициентом элек-
тромеханической связи отношением [21]
Сй/Су = л2(1 — к2)/8к2.
1.10
ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ, РАСПОЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРОВ
ЭЛЕКТРОДОВ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРА
Форма, размеры и взаимное расположение электродов определяют
значения эквивалентных электрических параметров ПЭ. Влияние этих
факторов на величину параллельной емкости не вызывает особых
вопросов, поскольку ее расчет осуществляется так же, как и расчет
емкости обычного электрического конденсатора. Влияние геометри-
ческих параметров электродов на эквивалентную емкость существен-
но иное, обусловлено величиной пьезоэлектрического заряда и ха-
рактером распределения механических напряжений ПЭ, совершаю-
щего тот или иной вид колебаний. Обычно электроды располагают
на тех участках поверхности, где плотность пьезоэлектрических за-
рядов наибольшая. Далеко не всегда электроды максимально воз-
можных размеров, т. е. на всей площади граней ПЭ, оказываются
эффективными. Удаление электродов с тех участков поверхно-
сти, где плотность пьезоэлектрических зарядов мала, заметно снижа-
ет величину параллельной емкости и лишь незначительно величину
эквивалентной емкости, в результате чего уменьшается емкостный
коэффициент на 20—25%.
Уменьшение размеров электродов вызывает уменьшение емкости
и соответствующее увеличение индуктивности. При необходимости
достичь значений реактивных параметров с точностью 1—5% из-
меняют площадь электродов.
Добротность
2Г
1.11
ДОБРОТНОСТЬ
Реальные колебательные системы — механические, электрические и
электромеханические — имеют различного рода потери, определяю-
щие затухание их колебаний. Важным параметром таких систем, ха-
рактеризующим их избирательные свойства, является добротность.
Добротность Q, по определению, есть энергетический коэффициент^
представляющий отношение реактивной мощности колебательной си-
стемы Рр к ее активной мощности Р&: Q=Pp/P&.
Для расчетов более удобно выражать добротность как отноше-
ние максимальной реактивной энергии Wp, накапливаемой системой
за период колебаний, к активной энергии И7а, расходуемой на раз-
ного рода потери за то же время: Q=2n,Wp/W&.
Добротность пьезоэлектрических резонаторов, для которых спра-
ведлива эквивалентная электрическая схема, приведенная на рис.
1.3, может быть выражена через эквивалентные электрические па-
раметры:
Q = Li /Р± — 1 С± Р±, (1-7)
где (01 — круговая частота последовательного резонанса резонатора.
Колебания резонатора сопровождаются разного рода потерями,,
совокупность которых определяет активное сопротивление Pi, назы-
ваемое сопротивлением потерь, и добротность. Эти потери имеют
как механическую, так и электрическую природу. Кварц является-
почти идеальным диэлектриком, поэтому потери чисто диэлектри-
ческого происхождения незначительны и могут не при-
ниматься во внимание. Электрические потери, обусловленные,,
главным образом, сопротивлением электродов, обычно неве-
лики и намного меньше механических. Природа механиче-
ских потерь сложна и разнообразна. Основными потерями яв-
ляются потери на акустическую передачу, ~ внутреннее трение, свя-
занные колебания в пьезоэлементе. Последний вид потерь иногда не
рассматривают как самостоятельный, так как в конечном итоге свя-
занные колебания приводят к увеличению либо потерь на излуче-
ние, либо потерь на внутреннее трение.
Акустическая передача колебаний происходит как в воздушную
среду, окружающую ПЭ, так и в систему крепления ПЭ. Потери на
акустическую передачу (излучение) в воздушную среду можно ра-
дикально устранить, удалив ее из оболочки резонатора, что и делают
в вакуумных резонаторах. В герметичных конструкциях уменьшают
потери на излучение установкой специальных экранов, расположен-
ных относительно излучающих поверхностей ПЭ так, чтобы отра-
жать и возвращать обратно излученную в воздушную среду энер-
гию. Такой же принцип используется и для уменьшения потерь, обу-
словленных передачей энергии механических колебаний в систему
крепления. На проволочных держателях для этого устанавливают
отражатели в виде дисков или шариков.
Интенсивные механические колебания ПЭ могут вызывать иони-
зацию окружающего его слоя газа, являющуюся также источником;
дополнительных потерь. В вакуумных резонаторах при уровне воз-
22
Пьезоэлектрические резонаторы
буждения, существенно превосходящем допустимый, нередко мож-
но наблюдать свечение газа внутри оболочки, особенно интенсивное
вблизи пучностей механических смещений При интенсивной иониза-
ции наблюдаются резкое увеличение затухания колебаний и изме-
нение частоты Длительная работа резонатора в таком режиме не-
допустима, так как ионизация сопровождается разрушением поверх-
ностного слоя ПЭ и прежде всего электродных покрытий, следова-
тельно, необратимым изменением частоты При малых амплитудах
колебаний потери на ионизацию малы и могут не приниматься в
расчет
Потери на внутреннее трение происходят как в кристалличес-
ком материале ПЭ, так и в присоединенных к нему элементах —
электродных и контактных покрытиях, проволочных держателях,
соединительных материалах (припоях, клеях) Трение в поверхност-
ном слое ПЭ, нарушенном процессами механической обработки, так-
же является источником интенсивных потерь Потери этого рода
заметно больше потерь на внутреннее трение кристалла Для их
уменьшения повышают чистоту обработки поверхности ПЭ, под-
вергая ее тонкой шлифовке, полировке и травлению
Источником потерь в поверхностном слое являются также раз-
ного рода загрязнения, например, ос-татдсами флюса, следами жира
и пота рук и т д Существенным источником потерь являются ма-
териалы, посредством которых крепятся проволочные держатели —
мягкие припои и клеи Для уменьшения этих потерь используют ми-
нимальные дозы припоя и составы с небольшим внутренним трени-
ем Мягкие припои, содержащие свинец, вносят существенное зату-
хание и в настоящее время не исполозуются Для иллюстрации сте-
пени влияния материала припоя на затухание можно привести та-
кой пример замена паяного соединения на термокомпрессионное у
резонатора продольных колебаний повысило добротность с 5 104 до
5 105 т е на порядок [21] Достигнутый уровень технологии при
правильных конструктивных решениях позволяет в настоящее вре-
мя существенно уменьшить разного рода механические потери и
гарантировать средний уровень добротности резонаторов не менее
105 для подавляющего большинства типов Очень высокие значения
добротности (выше 105) в большинстве случаев не требуются Вы-
сокая добротность необходима только для резонаторов, используе-
мых в высокостабильных кварцевых генераторах и узкополосных
стабильных фильтрах В то же время высокая добротность резона-
торов является следствием правильных конструктивных решений и
свидетельством высокой культуры производства Это повышает вре-
меннмо стабильность частоты (уменьшает старение) У малодоб-
ротных резонаторов обычно наблюдаются большие величины старе-
ния
В прецизионных резонаторах некоторых типов добротность до-
стигла предельно высоких значений и определяется практически
только внутренним трением в кварце Все остальные виды потерь
почти полностью устранены В зависимости от частоты, типа коле-
баний и некоторых других факторов значения добротности могут
достигать нескольких миллионов илЩ даже десятков миллио-
нов [6, 7]
Механические колебания
23
1.12
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Потребителей, естественно, интересуют, главным образом, электриче-
ские параметры и характеристики резонаторов Внутренние процес-
сы, в том числе и механические колебания ПЭ, их обычно мало ин-
тересуют - Однако основные электрические и эксплуатационные ха-
рактеристики резонаторов во многом определяются характером ме-
ханических колебаний ПЭ В резонаторах используется большое раз-
нообразие видов механических колебаний, и поскольку характери-
стики с колебаниями определенного вида во многом сходны между
собой, резонаторы принято классифицировать по видам механиче-
ских колебаний ПЭ Кроме того, частота и другие параметры резо-
наторов небезразличны к разного рода внешним механическим воз-
действиям и влияние последних существенно зависит от вида меха-
нических колебаний ПЭ Появление бескорпусных резонаторов ста-
вит перед потребителями новые вопросы, в частности овладение
определенным объемом знаний о действии и технологии производст-
ва резонаторов В связи с этим ниже приведены некоторые сведения
о механических колебаниях ПЭ
Различают четыре вида деформаций сжатие-растяжение, сдвиг,
изгиб и кручение Первые два считают простейшими, изгиб и кру-
чение иногда рассматривают как особые случаи неоднородных де-
формаций сжатия растяжения и сдвига соответственно Волны сжа-
тия-растяжения и сдвига могут распространяться как в безгранич-
ной среде, так и в телах конечных размеров Волны изгиба и кру-
чения могут существовать и распространяться только в ограничен-
ных средах и телах конечной формы
Механические колебания твердых тел, обусловленные распрост-
ранением в них упругих деформаций определенного вида, принято
различать по виду деформации сжатия-растяжения, сдвига (сдвиго-
вые колебания), изгиба (изгибные колебания), кручения (крутиль-
ные колебания)
Кроме того, различают продольные и поперечные механические
колебания Продольными называют колебания, у которых смещения
частиц совпадают с направлением распространения упругой волны, а
поперечными — у которых смещения происходят перпендикулярно
направлению распространения волны Продольными колебаниями
являются только колебания сжатия-растяжения Колебания трех
остальных видов — поперечные Колебания реальных тел во многих
случаях определяются сложными деформациями, представляющими
совокупность двух или более простых деформаций Однако всегда
выделяют наиболее выраженную компоненту, определяющую вид
колебаний
В литературе часто употребляют термин «контурные» колеба-
ния, которые иногда рассматривают как особый вид механических
колебаний Контурные колебания являются сложными, что обус-
ловлено взаимодействием двух компонент деформаций одного или
разных видов Следствием этого взаимодействия являются сложность
формы колебаний ПЭ и зависимость частоты ПЭ от размеров кон-
тура пластины или стержня
Пьезоэлементы, имеющие форму пластин или стержней, пред-
ставляют механическую колебательную систему с распределенными
24
Пьезоэлектрические резонаторы
параметрами (массой и упругостью). Собственные колебания ха-
рактеризуются возникновением в них стоячих волн, обусловленных
взаимодействием упругих волн, отражающихся от границ (краев)
ПЭ. Частоты собственных колебаний определяются скоростью рас-
пространения упругих волн и протяженностью их пути, т. е. рас-
►стоянием между границами отражения. Как во всякой колебатель-
ной системе с распределенными параметрами, в ПЭ наблюдается
ряд частот собственных колебаний данного вида, число которых, в
принципе, бесконечно. Колебания более высоких частот этого ряда
называют обертонами (модами) или колебаниями высших поряд-
ков.
Скорости упругих волн разных видов различны. Продольные ко-
лебания имеют примерно в 1,5 раза более высокую скорость, чем
поперечные. В безграничной среде скорость распространения про-
дольных волн несколько выше, чем в телах конечных размеров.
Волны сдвига распространяются одинаково быстро как в безгранич-
ной, так и в ограниченных средах. Скорость распространения упру-
гих волн зависит'от упругих свойств и плотности среды и2=с/р,
где с—упругий коэффициент (коэффициент жесткости), а р — плот-
ность среды. Для кристаллов как анизотропной среды упругий ко-
эффициент с зависит от направления распространения. Скорость рас-
пространения изгибных волн существенно зависит от частоты, чем
объясняется некратность частот обертонов изгибных колебаний. Ско-
рость волн в телах конечных размеров (пластинах и стержнях) за-
висит также и от формы тела.
Частота собственных колебаний ПЭ может быть выражена за-
висимостью
/ = (1.8)
где v — скорость распространения соответствующих волн, a bf —
расстояние между краями ПЭ, от которых происходит отражение.
Для тел правильной формы, например для параллелепипеда, bf —
обычно один из размеров тела (длина, ширина, толщина). Следует
всегда иметь в виду, что для каждого вида колебаний v зависит
как от ориентации, так и от формы и отношений размеров ПЭ.
Упругие волны могут распространяться в направлении различных
размеров ПЭ. Это обстоятельство используют для расширения диа-
пазона частот резонаторов. Характер колебаний может заметно раз-
личаться в зависимости от того, в направлении какого размера ПЭ
►они происходят. Поэтому для полной характеристики колебаний
обычно указывают размер ПЭ, в направлении которого происходит
распространение упругих волн. Колебания сжатия-растяжения (про-
дольные колебания) могут происходить, например, по длине, шири-
не или толщине. Сдвиговые колебания могут происходить по тол-
щине или ширине. Для изгибных колебаний, распространение кото-
рых происходит по длине, уточняют плоскость изгиба и различают
колебания изгиба по ширине и толщине. Плоскость изгиба в этих
случаях образуется длиной стержня и тем его поперечным разме-
ром (шириной или толщиной), который указан в характеристике
колебания.
Для технических расчетов вместо выражения (1.8) обычно ис-
пользуют формулу
/ = n,K.flbf,
Механические колебания
25
где К/ — так называемый частотный коэффициент; п — порядок ко-
лебаний.
Размер bf называют частотным или волновым размером ПЭГ
памятуя, что во многих случаях он находится в кратном отноше-
ние. 1.5. Эпюры механических
напряжений (1) и смещений (2)
в ПЭ, совершающем колебания
сжатия-растяжения или круче-
ния по длине
нии к длине упругой волны (кратность в данном случае прибли-
женная). Частотный коэффициент только для некоторых видов ко-
лебаний и определенных срезов и форм ПЭ может быть приблизи-
Рис. 1 6. Схематичные изображения видов механических деформаций пьезо-
элементов (сильно увеличены):
а} сжатия-растяжения по длине; б) сдвига по контуру; в) сдвига по тол-
щине; г) изгиба по ширине; <Э) кручения
тельно постоянным. Он существенно зависит от формы и отноше-
ния размеров ПЭ. Обертоны, частоты которых находятся в почти
кратных- отношениях с частотой низшего колебания, иногда называ-
ют «гармониками» или «механическими гармониками». Эти термины
нельзя считать точными, и применения их следует избегать.
26
Пьезоэлектрические резонаторы
В резонаторах используют, как правило, полуволновые пьезо-
элементы, у которых в направлении частотного размера укладыва-
ется целое число полуволн. Для этого поверхности ПЭ должны
быть свободны от механических нагрузок. При колебаниях полувол-
нового ПЭ его края (в направлении распространения колебаний)
совершают наиболее интенсивные смещения (пучности смещений).
Пучности механических напряжений сдвинуты относительно пучно-
сти смещений на расстояние, равное четверти волны. На рис. 1.5
показаны эпюры механических напряжений 1 и смещений 2 стерж-
ня, совершающего колебания сжатия-растяжения или кручения по
длине.
В кварцевых резонаторах практически используются колебания:
1) сжатия-растяжения по длине и ширине; 2) сдвига по толщине в
большей степени и в меньшей — по ширине; 3) изгиба по толщине
и ширине, 4) крутильные по длине.
В руководствах по резонаторам обычно приводят иллюстрации,
схематично изображающие характер деформаций ПЭ для различных
видов колебаний. Следует иметь в виду, что эти изображаемые де-
формации далеки от реальных, которые в большинстве случаев на-
много сложнее, тем более что нередко вместо динамических дефор-
маций изображают статические. На рис. 1.6 приведены упрощен-
ные схемы деформаций ПЭ для разных видов колебаний.
1.13
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И СВЯЗЬ КОЛЕБАНИЙ
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
В большинстве источников колебания пьезоэлемента рассматривают
как одномерные. Такое упрощение существенно облегчает анализ
колебаний, однако не позволяет получать расчеты частоты с необ-
ходимой для практики точностью. Теория механических колебаний
изотропных тел даже простой формы сталкивается с серьезными
трудностями, если речь идет о точных решениях. Теория колебаний
кристаллических тел намного сложнее из-за анизотропии упругих
свойств. Так, в кристаллах возникают связи таких видов, которые в
изотропных телах не имеют места. Для изотропных тел характер-
но наличие упругих связей для напряжений и деформаций одного
вида, например, растяжение тела в одном направлении сопровож-
дается его сжатием в перпендикулярных направлениях (явление по-
перечного сжатия). В кристаллах же при растяжении кристалличе-
ского стержня могут возникать, кроме деформаций поперечного сжа-
тия, деформации сдвига. Такие упругие связи усложняют форму ко-
лебаний, вызывают появление побочных резонансов, обусловленных
видами колебаний, которые пьезоэлектрически не возбуждаются. Не
всегда, однако, связи разных видов колебаний нежелательны В не-
которых случаях их преднамеренно используют для улучшения тех
или иных характеристик резонаторов, например температурных.
Сложность и разнообразие форм колебаний кварцевых ПЭ зна-
чительно затрудняют задачи разработчиков и заставляют их исполь-
зовать при проектировании преимущественно результаты эксперимен-
тальных исследований, предпочитая их результатам теоретических
расчетов. Следует сказать, что в последнее время применение ЭВМ
позволило решить сложные задачи теории колебаний кристалличе-
Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний
27
ских пластин и использовать результаты расчетов для улучшения ха-
рактеристик резонаторов
В разделах, посвященных резонаторам различных видов, будут
приведены некоторые особенности механических колебаний ПЭ в
тех случаях, когда они существенны.
• 1.14
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
Форма, расположение и ориентация электродов относительно осей
кристалла определяют вид возбуждаемых деформаций и их интен-
сивность. Деформации сжатия-растяжения и сдвига могут быть воз-
буждены однородным электрическим полем, для создания которого
достаточно двух электродов, расположенных на противоположных
гранях пластины или стержня Деформации изгиба и кручения не
могут быть возбуждены однородным полем Для их эффективного
возбуждения необходимо воздействие на одну половину пьезоэле-
мента поля одного направления, а на другую — поля противополож-
ного направления При этом возникают противоположные деформа-
ции сжатия-растяжения или сдвига, совокупное действие которых
вызывает изгиб или кручение Эффективное возбуждение ПЭ име-
ет место тогда, когда направление электрического поля совпадает с
направлением, для которого соответствующий пьезоэлектрический
модуль имеет максимальное значение. Для кварца зависимости пье-
зомодулей от направления известны, что позволяет оценить эффек-
тивность пьезоэлектрического возбуждения для каждого конкретно-
го случая. Форма, размеры и ориентация кристаллического элемен-
та определяются необходимостью достижения наиболее важных па-
раметров, например частоты и ее зависимости от температуры. По-
этому размеры и ориентация электродов далеко не всегда оптималь-
ны с точки зрения эффективности возбуждения. В резонаторах ис-
пользуется огромное разнообразие форм, размеров и вариантов рас-
положения электродов, необходимость применения которых обуслов-
лена требованиями достижения тех или иных электрических харак-
теристик Уменьшение площади электродов вызывает уменьшение
воздействующих на ПЭ сил и эффективности пьезоэлектрического
возбуждения Электроды, покрывающие всю поверхность грани ПЭ,
вызывают механические напряжения, распределенные по всему объ-
ему пьезоэлектрика, в то время как электроды малой площади вы-
зывают локальные силы, вследствие чего возбуждение электродами
малой площади оказывается более слабым
Обязательное или предпочтительное использование электродов
уменьшенной площади или сложной формы возникает, когда необ-
ходимо
достичь эффективного возбуждения определенного вида колеба-
ний или той или иной его моды (обертона);
уменьшить параллельную емкость или изменить емкостное отно-
шение;
ослабить нежелательные колебания;
осуществить преобразование импеданса или эквивалентных элек-
трических параметров резонатора;
создать резонатор с числом полюсов более двух;
28
Пьезоэлектрические резонаторы
создать резонатор с двумя или более различными рабочими час-
тотами и т. д.
Для возбуждения колебаний сжатия-растяжения и сдвига обыч-
но используют два электрода, покрывающие всю площадь больших
граней пластины (рис. 1.7). В общем случае могут возбуждаться три
продольных колебания и три колебания сдвига, распространяющиеся
Рис. 1.7. Возбуждение в ПЭ
колебаний сжатия-растяже-
ния или сдвига двумя элек-
тродами
в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В двух случаях
(продольных колебаний по толщине и колебаний сдвига по ширине
пли контурных колебаний) используется продольный и в четырех —
поперечный пьезоэффект. Двумя электродами интенсивно возбужда-
ются продольные и сдвиговые колебания нечетных порядков. Коле-
rzzzzzzzzzzzzzz/^W
Рис. 1 8. Эпюры пьезоэлектрических
зарядов при возбуждении колеба-
ний сжатия-растяжения по длине
первого и второго порядков
Рис. 1.9. Секционированные
электроды для возбуждения
обертона продольных колебаний
бания четных порядков при этом не возбуждаются вследствие ком-
пенсации пьезоэлектрических зарядов разных знаков в пределах пло-
щади электрода. На рис. 1.8 изображена эпюра электрических заря-
дов для продольных колебаний разных порядков. Сплошные элек-
троды, покрывающие всю поверхность грани, позволяют реализо-
вать весь пьезоэлектрический заряд при колебаниях первого порядка.
Для колебаний второго порядка имеет место полная компенсация
пьезоэлектрических зарядов, в то время как для колебаний третье-
го порядка — частичная компенсация. Для устранения компенсации
зарядов используют секционированные или разделенные электроды,
устройство которых схематично показано на рис. 1.9. Соответствую-
щая коммутация таких секционированных электродов позволяет ре-
ализовать полный пьезоэлектрический заряд и более эффективно
возбуждать соответствующие обертоны. Укорочением электродов
можно достичь подавления колебаний нежелательного обертона. На-
пример, при симметричном укорочении электродов на 1/3 длины пол-
Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний
29
ностью компенсируются заряды для колебаний третьего порядка.
Это явление очевидно из рассмотрения рис. 1.10, поскольку сумма
положительных зарядов на электродах в точности равна сумме от-
рицательных. При этом интенсивность колебаний первого порядка
уменьшится незначительно, так как плотность зарядов на концах
Рис. 1.11. Синусоидальная фор-
ма электродов, используемая
для ослабления всех обертонов
продольных или крутильных ко-
лебаний по длине
Рис. 1.10. Эпюры пьезоэлектрических
зарядов при возбуждении колеба-
ний сжатия-растяжения и кручения
по длине третьего порядка, поясня-
ющие эффект компенсации зарядов
при укорочении электродов
ПЭ существенно меньше плотности в средней части. Укорочение
электродов используют также для уменьшения емкостного коэффи-
циента. Синусоидальная форма электродов позволяет подавить все
обертоны продольных и крутильных колебаний (рис. 1.11).
Рис. 1,12. Эпюра плотности
пьезоэлектрических зарядов
при колебаниях сдвига по
толщине
Рис. 1.13. Локальные элек-
троды ПЭ толщинно-сдвиго-
вых колебаний, расположен-
ные в области существенной
плотности пьезоэлектриче-
ских зарядов
Не во всех случаях электроды, занимающие всю поверхность
грани ПЭ, оптимальны с точки зрения эффективности возбуждения.
На рис. 1.12 изображена эпюра плотности пьезоэлектрических заря-
дов на поверхности ПЭ, совершающего колебания сдвига по тол-
щине. Плотность зарядов на периферийной части поверхности прак-
тически равна нулю, поэтому наличие электродов в этой части не
только бесполезно, но и нежелательно, так как увеличивает парал-
лельную емкость ПЭ. Поэтому ПЭ толщинно-сдвиговых колебаний
30
Пьезоэлектрические резонаторы
имеют электроды уменьшенной площади, расположенные в средней
части пластины (рис. 1.13).
Для возбуждения колебаний изгиба и кручения необходимо воз-
действие полей, противоположно направленных друг другу. Для
этого используют либо разделенные электроды (рис. 1 14), либо
электроды, нанесенные на четыре боковые грани. Система из четырех
электродов чередующейся полярности создает неравномерное поле,
Рис 1 14 Электроды для возбуждения колебаний из-
гиба и кручения
а) расположенные на двух противоположных гранях
пластины, б) расположенные на четырех боковых
гранях стержня Стрелками показаны направления
компонент электрического поля в сечении ПЭ
Рис 1 15 Секционированные электроды для возбуждения обер-
тонов изгибных и крутильных колебаний
компоненты которого в половинах ПЭ противоположны друг другу.
Возбуждение обертонов крутильных и изгибных колебаний осуще-
ствляют секционированными электродами, соединенными соответ-
ствующим образом (рис 1 15) Для более эффективного возбужде-
ния продольных и сдвиговых колебаний в ПЭ некоторых срезов
можно использовать одновременно как продольный, так и попереч-
ный пьезоэффекты, применяя две пары электродов на разных гра-
нях. На рис 1 16 показаны такие электроды, называемые угловыми.
Диапазон частот
31
Используя две пары или более электродов, изолированных в
электрическом отношении друг от друга, осуществляют так называ-
емые многополюсные резонаторы. В ряде случаев применение мно-
гополюсных резонаторов выгодно, так как существенно упрощаются
схемы генераторов и фильтров. С помощью четырехполюсного резо-
натора удобно поворачивать фазу электрических колебаний на 180°,
а с помощью электродов разной площади — преобразовывать им-
педанс резонатора.
+
Рис 1 16 Угловые электроды, используемые для эффек-
тивного возбуждения колебаний сжатия-растяжения и
сдвига
Несколько пар электродов необходимо также для возбуждения
в ПЭ колебаний разных частот в многочастотных резонаторах с
двумя или более рабочими резонансами. В таких случаях можно
возбуждать колебания как одинакового, так и разных видов. В по-
следнем случае могут потребоваться отдельные пары электродов,
различающиеся формой, размерами и расположением.
Далеко не во всех случаях изготовители используют электроды,
в полной мере позволяющие улучшить те или иные характеристи-
ки резонаторов
В соответствующих разделах, касающихся описаний резонато-
ров конкретных видов, будут приведены сведения о возможности
улучшения некоторых характеристик в результате применения соот-
ветствующих электродов.
•*
1.15
ДИАПАЗОН ЧАСТОТ
Диапазон частот кварцевых резонаторов весьма широк. Он на-
чинается в области звуковых частот порядка нескольких сотен герц,
без перерыва простирается до частот СВЧ диапазона и заканчива-
ется на частотах порядка 300—400 МГц. Никакие другие электро-
механические резонаторы, в том числе и резонаторы из других пье-
зоэлектрических материалов, не могут в этом отношении соперни-
чать с кварцевыми резонаторами. Перекрытие диапазона частот
кварцевых резонаторов, характеризующееся цифрой 106, достигает-
ся благодаря использованию всего разнообразия механических коле-
баний, существенному различию скоростей упругих волн разных ти-
пов и протяженности путей их распространения Обертоны толщин-
ных колебаний позволяют как минимум на порядок расширить ди-
апазон в область высоких частот, а изпибные колебания — сущест-
венно расширить его вниз — до звуковых частот. Оставшаяся доля
32
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
перекрытия диапазона, составляющая три порядка, обеспечивается
изменениями частотных размеров ПЭ. Если для простоты принять
скорости- упругих волн разных типов одинаковыми, то необходимое
отношение частотных размеров ПЭ должно составить три порядка.
При наибольшем частотном размере ПЭ 50 мм наименьший раз-
мер соответственно должен быть около 50 мкм. Эти значения при-
мерно соответствуют размерам ПЭ современных резонаторов.
Рис. 1.17. Диаграмма перекрытия диапазона частот кварцевыми резо-
наторами различных видов колебаний
На рис. 1.17 приведена диаграмма, иллюстрирующая перекрытие
диапазона частот кварцевых резонаторов разных видов колебаний.
Границы отдельных поддиапазонов несколько условны, и по мере
развития исследований и техники производства их положение ме-
няется. Наблюдается тенденция к расширению границ поддиапазо-
нов преимущественно в область более высоких частот, что обуслов-
лено стремлением к уменьшению размеров элементов радиоэлектрон-
ной аппаратуры.
2.
Кварцевый резонатор как элемент
электрической цепи
2.1
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
В электрической цепи двухполюсный кварцевый резонатор ведет
себя как колебательный контур третьего вида (см. рис. 1.3), кото-
рый по сравнению с обычными колебательными контурами, состоя-
Проводимость и сопротивление КР
33
щими из катушек индуктивности и конденсаторов, имеет следующие
основные особенности.
очень высокую добротность (от десятков тысяч до десятков
миллионов), благодаря которой фазо-частотная и амплитудно-час-
тотная характеристики имеют очень большую крутизну в области
резонанса;
высокую стабильность собственных параметров. Стабильность
частоты кварцевых резонаторов на несколько порядков выше, чем у
обычных колебательных контуров;
очень большую индуктивность Lb достигающую тысяч генри,
и очень малую емкость Ci (не более нескольких сотых долей пи-
кофарады), вследствие чего при соединении кварцевых резонаторов
с внешними реактивными элементами результирующая резонансная
частота образованной колебательной системы мало отличается от
частоты собственных колебаний кварцевого резонатора.’
Эквивалентные параметры Lb Ci и Со существенно зависят
от частоты резонаторов, и о порядке их значенйй дают представ-
ление графики на рис. 2.1.
2.2
ПРОВОДИМОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ КВАРЦЕВОГО
РЕЗОНАТОРА
Схема рис. 2.2а достоверно характеризует поведение кварцево-
го резонатора в наиболее типичном случае, когда вблизи рассмат-
риваемого резонанса можно пренебречь влиянием прочих резонан-
сов, индуктивностей и сопротивлений потерь вводов, а также емко-
стей между электродами пьезоэлемента и корпусом. На частотах,
удаленных от резонансных, кварцевый резонатор ведет себя как
конденсатор, имеющий емкость Со.
Частота последовательного резонанса
fi = 1 /2 л Ci. (2.1)
Частота параллельного резонанса
= 1 /гл/^^Со/^ + Со). _ (2.2)
Учитывая, что обычно Ci/C0<0,01, можно пользоваться прибли-
женным равенством
/а = М1 + Сх/2С0). ‘ (2.3)
Цепь рис. 2 2а может быть представлена, как показано на рис.
2.26, в виде параллельного соединения активной Gp и реактивной
Вр, составляющих проводимости [22], так что полная проводи-
мость кварцевого резонатора на частоте f запишется
y = ^(1 + ^2) — 4^(1 + ^) ’ (2'4)
где обобщенная расстройка
l = 2Q^f/f1- (2.5)
—Л — абсолютная расстройка; А///1 — относительная расстрой-
2—104
34
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
Проводимость и сопротивление КР
35
Рис 21 Значения эквивалентных электрических параметров резонаторов от
частоты
) сопротивления; б) емкости и в) параллельной емкости Двойными линиями
'означены значения параметров от частоты в мегагерцах (масштаб справа)
ка; Q = pP/7?i—добротность резонатора; pP=2nfiLi — характеристи-
ческое (волновое) сопротивление резонатора; ю=2л/.
Резонатор можно рассматривать и в виде последовательного
соединения активной Рр и реактивной Хр составляющих полного
сопротивления (рис 2 2в). В соответствии с [10] полное сопротив-
ление резонатора:
у „ , R,
Zp — 7?р -•- / Хр = — -{- J--------------—, (2.6)
(1_й)2+б2 2л/С0[(1-О)« + 62]
2*
36
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
где фигурируют нормированная расстройка
о=(Р -/?)/(/I- /?)»(/ - I1W2 - fl) =
= 2(Д///1)(С0/С1) (2.7)
и отношение активного сопротивления к модулю сопротивления па-
раллельной емкости do=<oC'o7?i. Справедливо равенство О=£60.
Важное значение имеют две характеристические частоты, лежащие
a) S)
0
Рис. 2 2. Эквивалентные
электрические схемы ре-
зонатора
а) элементы эквивалент-
ной схемы и их соедине-
ние; б) представленная
как соединение активной
и реактивной проводимо-
стей, в) представленная
как соединение активно-
го и реактивного сопро-
тивлений
вблизи fi. Одна из них — частота, соответствующая максимуму Ур
и минимуму Zp:
fm=11 [1+-171 + 46«) ]
другая — частота резонанса, соответствующая ХР=ВР = О;
А = а[|+~£~(1-)л1-«?) ]•
L J
Еще две характеристические частоты лежат вблизи /г- это час-
тота, соответствующая минимуму Ур и максимуму Zp:
= А [1 + (1 + /1 + 46?) I
^0 J
и частота антирезонанса, которой, как и fr, соответствует Хр =
= ВР=0
А> = аГ1 + ~~(1 + 1/1-46?) ].
Предыдущие выражения можно с учетом (2 3) представить в при-
ближенной форме
fm ~ /1(1 — S0/2Q); (2.8)
fr«fi(l±60/2Q); (2.9
fn«f2(l +60/2Q); (2.10
ffl’«fa(l-60/2Q). (2.11)
Проводимость и сопротивление КР
37
Поскольку в диапазоне частот да 20 МГц обычно выполняется не-
равенство So’Cl, во многих случаях можно считать, что частоты
/т, fi и fr практически совпадают между собой, так же как и час-
тоты fn, /2 и fa Например, у резонатора со значениями парамет-
ров fi = l МГц, Со=4 пФ; Q=105; Ri = 100 Ом разность между ча-
стотами составит —fm=fr—fi=fs—fa=fn—/2= 1,25 • 10-8. Такой же
она будет у резонатора на частоту 20 МГц со значениями парамет-
ров Со=4 пФ, Q — 105; Ri = 5 Ом. Если добротность этого резонатора
будет иметь прежнее значение при возбуждении его на третьем
Рис 2 3 Зависимости полных, активных и реак-
тивных сопротивлений и проводимостей, а также
.фазового угла <p = arctg (Xp/Rp) от частоты
38
Кварцевый резонатор как элемент электрической деиж
обертоне (частота 60 МГц) и пятом (частота 100 МГц), то раз-
ность между упомянутыми частотами составит соответственно около*
1-Ю-7 и 3-10-7.
Характер частотных зависимостей величин Zp, Rp, Хр, YP) GPr
В9 ириближенно показан на рис. 2.3, где количественные соотноше-
ния ни по одной из осей соблюсти невозможно, так как значения
параметров различаются на много порядков. На рис. 2.3 изображе-
на также частотная зависимость фазового угла между током через
резонатор и напряжением на резонаторе.
Рис. 2 4. Эквивалентные схемы последовательного со-
единения резонатора с реактивными элементами
а) с конденсатором; б) приведенная эквивалентная
схема; в) с катушкой индуктивности
Если последовательно с резонатором включен конденсатор ем-
костью Св (рис. 2.4а), то полученному двухполюснику соответству-
ет эквивалентная схема рис. 2.46 того же вида, что и схема
рис. 2.2а, но с измененными [18] значениями параметров:
fi3 = fl /14- СХ/(СО 4- С„) » Л [1 + Q/2 (Со + Са)]; (2.12}
Соэ = Со СН/(СО Сн); (2.13}
^1э = ^1[14-(С0/Сн)]2; (2.14)
£1э = £1[14-(Со/Сн)]8; (2.15),
CJ9 = Ci С2/(Сн 4- СО)(СН 4- Со.4- Cj)toCi /А 4- Y. (2.16}
Сопротивление Ria называют эквивалентным последовательным со-
противлением приведенного резонатора (в иностранной литературе
обозначается ESR [24]).
Если последовательно с резонатором включена катушка индук-
тивности без потерь LB (рис. 2.4в) и справедливо условие
о21АнСо<1, то полученный двухполюсник также сводится к эквива-
Частотные параметры кварцевого резонатора
39
лентной схеме jис. 2 46, причем:
( 1 Ьн \
. ); С0э —Со/е;
у Zb /
Яхэ = /?х е2; С1Э = Сх/е2;
£1Э = [& е2,
где е=1—tOi2AHCo.
Если добротность катушки на частоте со равна Ql, то для экви,*
валентной схемы рис. 2.46 активное сопротивление и добротность
составят соответственно:
₽1э = /?i е2 + со Ln/QL , ]
I (2.22)
Q' = Q/(l + (0LH//?iQLe2). /
В дальнейшем резонатор, соответствующий
схеме рис. 2.46, полученной путем перехода от
схем рис. 2.4а и рис. 2.4в, будем называть при-
веденным. К приведенному резонатору также
применимы понятия характеристических частот,
причем частота параллельного резонанса [гэ
равна частоте /г, а прочие частоты изменяются
соответственно модифицированным значениям
параметров схемы рис. 2.45.
В случае присоединения конденсатора ем-
костью Си параллельно резонатору (рис. 2.5)
частота параллельного резонанса /2э образовав-
шегося двухполюсника будет по аналогии с
(2 3) выражаться формулой
(2.17); (2.18)
(2.19); (2.20)
(2.21)
ное соединение резо-
натора и внешней
(нагрузочной) емко-
сти
/2э = Л 11 + Сх/2(Св+ Сн)]. (2.23)
Активная составляющая проводимости двухполюсника на частоте
f2a находится подстановкой в (2.4) расстройки частоты, равной вто-
рому слагаемому в квадратных скобках (2.23), и определяется как
Gp = со2 (Сн + С0)2 /?х/[1 + (02(Сн + С0/)2 /??] « (О2 (Сн + С0)2 /?х. (2.24)
Приближенное равенство выполняется при соблюдении условия
<о2(Сн + С0)27?21<С1, что имеет место при практическом использовании
резонаторов в подавляющем большинстве случаев. Величину
/?2Э = 1/со2 (Сн + С0)2 /?х (2.25)
называют эквивалентным параллельным сопротивлением (в иност-
ранной литературе обозначается через ЕРД [24]).
2.3
ЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
Частота. Основным параметром резонатора является частота.
Применительно к кварцевым резонаторам используется несколько
различных понятий о частоте, приведенных ниже.
40
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
Номинальная частота — это частота, указываемая в"дехнической
документации на резонатор. К номинальной частоте неприменимо
понятие о нестабильности, она имеет постоянное значение, служащее
обычно началом отсчета для отклонений реальной частоты резона-
тора.
Рабочая частота — реальное значение частоты колебаний резо-
натора при включении его в рабочее устройство. Разность между ра-
бочей и номинальной частотами не должна превышать установлен-
ного допуска. Допуски принято выражать в относительных величи-
нах, обычно — в миллионных долях, реже — в процентах.
Частота настройки резонатора — это значение рабочей частоты в
условиях, оговоренных технической документацией, при которых
(должна быть) произведена настройка резонатора по частоте.
Следует подчеркнуть, что рабочая частота характеризует резо-
натор не как самостоятельный элемент, а в совокупности с устрой-
ством, для которого он предназначен. В отличие от этого, шесть
частот, рассмотренных в § 2.2, характеризуют резонатор как само-
стоятельную колебательную систему. Из них наибольшее значение
имеют частота последовательного резонанса Л, частота минималь-
ного импеданса fm и частота резонанса fr, так как на этих частотах
резонатор имеет низкое полное сопротивление и при их измерении
паразитные емкости гораздо меньше искажают результат, чем при
измерении характеристических частот антирезонанса fa, параллель-
ного резонанса /2 и максимального импеданса fn. Как уже упоми-
налось, на практике частоты fi, fm и fr можно считать совпадающи-
ми, поскольку разница между ними обычно меньше 1-Ю-6. Частоту
последовательного резонанса часто используют в качестве парамет-
ра преимущественно фильтровых резонаторов.
Нестабильность частоты. Под воздействием различ-
ных факторов: климатических, механических, радиационных, време-
ни и др. — частота резонатора изменяется. Количественными харак-
теристиками таких изменений могут служить коэффициенты часто-
ты (температурный, силовой и т. д.), выражающие нестабильность
частоты в пересчете на единицу воздействующего фактора. В некото-
рых случаях зависимость частоты от внешних факторов нелинейна
и соответствующие коэффициенты непостоянны. Тогда нестабиль-
ность частоты определяют при наибольших возможных значениях
воздействующих факторов, предусмотренных условиями эксплуата-
ции.
Из группы параметров, характеризующих нестабильность часто-
ты, на практике наиболее часто используются:
температурный коэффициент частоты (ТКЧ);
нестабильность частоты при изменении температуры в пределах
заданного интервала;
нестабильность частоты при воздействии циклического измене-
ния температуры от одного до другого из двух предельно допусти-
мых значений при эксплуатации;
временная нестабильность частоты (старение) —изменение час-
тоты за определенный отрезок времени (сутки, месяц, год, несколь-
ко лет);
нестабильность частоты от механических воздействий. Количест-
венной мерой этой нестабильности обычно служит изменение часто-
ты от первоначального значения в результате воздействия вибраций.
Частотные параметры кварцевого резонатора
41
многократных или одиночных ударов с максимально допустимыми
по условиям эксплуатации ускорениями. Различают механическую
устойчивость резонатора, характеризуемую изменениями частоты в
процессе воздействия, и прочность, определяемую необратимыми из-
мениями частоты, остающимися после прекращения воздействия.
Иногда пользуются коэффициентами, выражающими нестабильность
частоты в расчете на единицу ускорения.
Если на резонатор воздействует несколько дестабилизирующих
факторов и нестабильность частоты от каждого из воздействий из-
вестна, то результирующую нестабильность частоты следует рассчи-
тывать по правилам теории вероятностей. При воздействии взаимо-
независимых факторов обычно рассматривают среднеквадратичное
значение результирующей нестабильности [10, 26]
1/2 ,
д/// =
(2.26)
Частота резонатора существенно зависит от уровня его воз-
буждения, что рассмотрено в § 4.9;
Спектральная характеристика. Спектральная ха-
рактеристика дает представление о частотах и интенсивности по-
Рис. 2 6. Пример графи-
ческого изображения
спектра частот резона-
тора
бочных резонансов резонаторов. Обычно ее изображают графиче-
ски, представляя побочные резонансы в виде отрезков, положение
которых по оси абсцисс определяет частоты, а -размеры по оси ор-
динат — интенсивность побочных резонансов. Интенсивность по-
бочных резонансов выражают в относительных единицах (отноше-
ния сопротивлений на частотах побочного и рабочего резонансов),
процентах или децибелах. В ряде случаев спектр частот резонато-
ров характеризуется регулярными побочными резонансами, частоты
которых достаточно точно определяются относительно частоты ра-
бочего резонанса. В этих случаях можно руководствоваться типо-
вой спектральной характеристикой, образец которой показан на
рис. 2 6. В технической документации оговариваются требования к
ослаблению побочных резонансов в определенной ограниченной об-
ласти частот.
42
Кварцевый резонатор как элемент электрической цени
2.4
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Эквивалентные параметры Сопротивление В техни-
ческой документации указываются предельно допустимое (наиболь-
шее) значение сопротивления и в некоторых случаях изменение его
от температуры (в процентах)
Индуктивность Значения индуктивности нормируются для ре-
зонаторов, предназначенных для фильтров, управляемых и термо-
компенсированных кварцевых генераторов Требования к точности
индуктивности обычно заключаются в пределах от 1 до 10%
Емкость Емкость связана с индуктивностью простой зависи-
мостью (2 1) и легко при необходимости может быть определена,
когда известно значение индуктивности В практике отечественного
кварцевого производства принято измерять индуктивность резона-
торов, вследствие чего емкость Ci как параметр резонатора изгото-
вителями не указывается
Параллельная емкость Емкость Со в большинстве случаев не
нормируется и сообщается в качестве справочной величины При
нормировании задается наибольшее значение емкости Со
Добротность Как параметр кварцевого резонатора доб-
ротность используется тогда, когда не нормируются значения ин-
дуктивности Если в технической документации оговорены требова-
ния к сопротивлению и индуктивности резонаторов, то этим опреде-
лены и требования к добротности, поскольку она однозначно опре-
деляется выражением (1 7) Добротность резонатора существенно
определяет кратковременную стабильность частоты кварцевых ге-
нераторов, поэтому ее как нормируемый параметр указывают в
технической документации на прецизионные резонаторы Доброт-
ность как параметр указывают в технической документации в слу-
чаях, когда для контроля параметров используют приборы с пря-
мым измерением добротности При этом нет необходимости норми-
ровать значения сопротивления Значения добротности кварцевых
резонаторов обычно заключаются в пределах от 104 до 106. Пре-
цизионные резонаторы характеризуются еще более высокой доб-
ротностью, достигающей нескольких миллионов
Емкостный коэффициент Отношение емкостей Co/Ci,
называемое емкостным коэффициентом, является типовым парамет-
ром резонатора .справочного характера Для потребителей при вы-
боре резонатора знание этого параметра существенно, поскольку
он определяет величину резонансного промежутка, т е относитель-
ную разность частот параллельного и последовательного резонан-
сов, как видно из выражения (2 3) Резонансный промежуток, как
известно, определяет предельные значения полосы пропускания
кварцевых фильтров и пределы девиации частоты управляемых
кварцевых генераторов. Минимальное значение емкостного коэффи-
циента для кварцевых резонаторов составляет 130, чему соответст-
вует предельная ширина резонансного промежутка около 0,4%
Сопротивление изоляции Сопротивлением изоляции
является сопротивление между электродами ПЭ резонатора, а так-
же сопротивление между электродами и корпусом резонатора, если
корпус металлический Величина сопротивления изоляции резонато-
ров составляет сотни или тысячи мегом В технической документа-
Выбор допуска на точность настройки резонатора по частоте 43
ции обычно нормируется величина сопротивления изоляции не ниже
указанных выше величин В условиях воздействия влажности допу-
скается снижение сопротивления изоляции до величины порядка
1—5 МОм
Допустимое напряжение Величина постоянного или
переменного напряжения, приложенного к электродам или между
электродами и корпусом резонатора, не должна быть больше 100—
200 В -Напряжения, величины которых больше указанного, опасны,
так как могут вызвать пробой между электродами if ионизацию
(газовый разряд) внутри корпуса резонатора и, как следствие это- ,
го, порчу резонатора Поэтому в технической документации оговари-
вается допустимая величина напряжения на частоте, значительно
удаленной от резонансной, например на частоте 50 Гц х
Мощность рассеяния В качестве параметра в техниче-
ской документации всегда указывается величина предельно допусти-
мой мощности, рассеиваемой резэнатором при его работе в рабо-
чем режиме Явления, связанные с воздействием на параметры ре-
зонатора мощности рассеяния, рассматриваются ниже более под-
робно Допустимая мощность рассеяния в зависимости от типа ре-
зонатора заключается в пределах от 0,01 до 2 мВт
Активность кварцевого резонатора Активность
является специфичной характеристикой резонаторов, предназначен-
ных для использования в кварцевых генераторах Понятие актив-
ности служит для качественного сравнения способности резонато-
ров совершать колебания в одинаковых условиях [10, 24] Количест-
венно активность оценивают обычно по величине выходного напря-
жения КГ либо по величине постоянной составляющей тока актив-
ного элемента (например, транзистора) КГ Активность характери-
зует резонатор не как самостоятельный элемент, а в совокупности
со схемой КГ Более активные резонаторы обеспечивают самовоз-
буждение КГ с большей устойчивостью и, как правило, при более
высоком уровне выходного напряжения Однако как исключение
встречаются схемы и режимы КГ, при которых с уменьшением со-
противления резонаторов выходное напряжение вначале растет, а
затем уменьшается, в то время как устойчивость самовозбуждения
генератора всегда растет с уменьшением сопротивления резонатора
Активность как параметр резонатора используется в тех слу-
чаях, когда настройка и испытание резонаторов осуществляются в
эквивалентах КГ
2.5
ВЫБОР ВЕЛИЧИНЫ ДОПУСКА НА ТОЧНОСТЬ НАСТРОЙКИ
РЕЗОНАТОРА ПО ЧАСТОТЕ
Погрешность настройки резонатора по частоте влияет, с одной сто-
роны, на достижимую точность частоты КГ и, с другой, — на тру-
доемкость изготовления резонатора, следовательно, и на его стои-
мость Даже если к точности частоты КГ предъявляются высокие
требования, далеко не во всех случаях целесообразно вводить же-
сткий допуск на настройку резонатора по частоте Более разумной
мерой обычно является введение в схему генератора подстроечного
элемента, например подстраиваемого конденсатора Стабильность
44
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
частоты КГ практически не ухудшается, если вводить подстройку
порядка 10-5 при работе резонатора на основной частоте, несколь-
ких миллионных при работе резонатора на третьем обертоне и в
пределах одной миллионной при работе на пятом обертоне.
Очевидно, что чем больше допустимая нестабильность частоты
КГ Д/д и чем больше пределы подстройки частоты Д/п, тем боль-
шую погрешность настройки резонатора по частоте можно допу-
стить.
Допустим, что все экземпляры рабочих КГ точно настроены на
номинальную частоту в одинаковых условиях в одно время с ис-
пользованием одного и того же резонатора, принятого за образцо-
вый. Если после* этого включать поочередно в рабочие КГ другой
резонатор того же типа, полностью отвечающий требованиям тех-
нических условий, то частота генерации тем не менее будет воспро-
изводиться с некоторой погрешностью. Пусть при использовании
для таких испытаний какого-то резонатора невоспроизводимость ча-
стоты окажется наибольшей, обозначим ее через Д/р. Подобного же
характера невоспроизводимость частоты Д/т будет иметь место и
за счет технологических устройств, используемых для возбуждения
резонаторов при их настройке. Допустимые изменения частоты ге-
нератора за счет старения, климатических, механических и других
воздействий обозначим через Л/в. Допуск на неточность настройки
резонатора по частоте Л/п должен определяться алгебраической
суммой:
Д/н = Д/д+Д/п-Д/р-Д/в-Д/т -Д/з. (2.27)
где Д/з — запас на допуск. Найденное значение округляется в сто-
рону уменьшения до ближайшей из стандартизированных величин.
2.6
ВЫБОР СИСТЕМЫ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ
КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
Системы параметров, используемые для оценки свойств резонаторов
при их производстве, должны выбираться из соображений обеспе-
чения требуемой точности при максимальной простоте -измеритель-
ной процедуры, а также из соображений обеспечения удобства со-
гласования резонатора с рабочим устройством.
У резонаторов, предназначенных для использования в кварце-
вых фильтрах, контролируется значение частоты последовательного
резонанса, которое используется также при расчете КФ- Сущест-
венное влияние на параметры КФ оказывает значение индуктивно-
сти, однако в большинстве случаев можно контролировать этот па-
раметр выборочно, потому что он с достаточной точностью воспро-
изводится у одинаковых резонаторов от образца к образцу, так как
определяется в основном геометрическими размерами пьезоэлемен-
та и электродов. Параллельная емкость Со по той же причине конт- -
ролируется выборочно. Добротность и сопротивление часто могут
не контролироваться, достаточно лишь, чтобы резонатор возбуждал-
ся в технологическом генераторе на частоте последовательного ре-
зонанса. Обязательно требование к ослаблению побочных резонан-
сов в заданной полосе частот.
Выбор системы контролируемых параметров резонатора
45
Контроль параметров резонаторов, предназначенных для ис-
пользования в генераторах, — технически более сложная задача, не
всегда решаемая на должном уровне как по причине отсутствия
соответствующих методик, так и из-за недостаточного совершенст-
ва имеющихся измерительных средств. Условия работы резонато-
ров в генераторах "весьма разнообразны, частота колебаний в об-
щем случае не совпадает ни с одной из характеристических частот
резонатора. Это и явилось в свое время причиной широкого ис-
пользования эквивалентов генераторов, об отрицательных последст-
виях применения которых сказано ниже в гл. 17.
Если выделить в КГ резонансную колебательную систему, под
которой будем понимать резонатор с присоединенными к нему ре-
активными элементами схемы, и перейти (как изложено в § 22) к
приведенному резонатору, то частота колебаний оказывается близ-
кой к одной из его характеристических частот. В ряде КГ имеет
место резонанс с внешней нагрузочной емкостью, подключенной па-
раллельно резонатору, их принято называть генераторами с парал-
лельным резонансом. В других генераторах, называемых КГ с по-
следовательным резонансом, резонатор используется как элемент,
имеющий на резонансной частоте низкий импеданс с относительно
малой реактивной составляющей. Разделение на генераторы с па-
раллельным и последовательным резонансами не базируется на ка-
ких-либо строгих принципах. Скорее оно основано на сходстве по-
ведения колебательной системы генератора с поведением обычного
колебательного контура — параллельного или последовательного.
Рабочая частота КГ с параллельным резонансом равна прибли-
зительно частоте f2a, определяемой выражением (2.23). Рабочая ча-
стота КГ.с последовательным резонансом приблизительно равна
частоте последовательного резонанса резонатора, а если последова-
тельно с ним включены конденсатор или катушка индуктивности,
то частоте приведенного резонатора (см. рис. 2.4). Если нагрузоч-
ные емкости одинаковы в КГ с параллельным и КГ с последова-
тельным резонансами, то и частоты генерации совпадают, что сле-
дует из идентичности выражений (2.12) и (2 23).
Унифицированные испытательные устройства, как правило, воз-
буждают резонаторы на частоте, близкой к частоте последователь-
ного резонанса fi. Если резонатор предназначен для использования
в КГ с параллельным резонансом при нагрузочной емкости Сн, то
в процессе настройки и испытаний его также следует возбуждать в
унифицированном испытательном генераторе, причем последова-
тельно с резонатором включать нагрузочную емкость, равную Св.
Разброс значений емкости и индуктивности резонаторов приведет
к разбросу значений частот последовательного резонанса, но не ра-
бочих частот.
У резонаторов, предназначенных для КГ, как и у предназначен-
ных для КФ, нет необходимости вести сплошной контроль значений
реактивных параметров Со, Li и С\ ввиду их сравнительно высокой
стабильности. Зато добротность и сопротивление резонаторов под-
вержены значительным технологическим разбросам,' поэтому один
из этих параметров обязательно должен контролироваться у каж-
дого изготавливаемого резонатора. Второй может вычисляться че-
рез частоту и более стабильные реактивные параметры Lx и С\.
46
Кварцевый резонатор как элемент электрической цени
Следует предпочесть прямое измерение сопротивления, поскольку
оно осуществляется легче, чем измерение добротности.
Если испытывается резонатор с последовательно включенным
конденсатором, то измеряться будет не величина а 7?1э, опреде-
ляемая ф-лой (2.14). Зная нетрудно рассчитать необходимую
для количественной оценки активности резонатора в КГ с парал-
лельным резонансом величину /?2э- При равенстве нагрузочных ем-
костей из (2.14) и (2.25) следует
/^=1/®}^,. (2.28)
Тддим образом, активные свойства резонатора на параллельном
резонансе легко оценить через величину 2?1Э, измеряемую на после-
довательном резонансе.
Температурные испытания резонатора также следует вести,
возбуждая его в унифицированном генераторе с последовательно
подключенной нагрузочной емкостью. Получаемая при «этом ТЧХ
близка к той, которая будет иметь место в рабочем генераторе.
Она под влиянием температурных изменений емкости Ci несколько
отличается от ТЧХ на частоте fi [26, 33]. Активные свойства резона-
тора в диапазоне температур целесообразно представлять кривой
температурной зависимости параметра 7?1Э или смотря по назна-
чению резонатора. Кривая изменения параметра 7?1Э и кривая ТЧХ
могут быть получены за один температурный цикл, а сами испыта-
ния могут быть автоматизированы с обеспечением автоматической
регистрации характеристик.
Итак, в условиях производства резонаторов для определения
их параметров наиболее целесообразно пользоваться методом двух
частот — двух сопротивлений, в соответствии с которым, применяя
унифицированный измерительный генератор, измеряют следующие
параметры: — частоту последовательного резонанса и 7?i — эк-
вивалентное сопротивление при коротком замыкании нагрузочного
конденсатора; f — рабочую частоту и 7?1э — эквивалентное после-
довательное сопротивление при подключении последовательно с ре-
зонатором конденсатора с точно известной емкостью Са.
Значения этих параметров, измеренные у каждого резонатора
при определенной температуре, а также величину Ся следует при-
водить в паспорте резонатора. По ним могут быть рассчитаны ве-,
личины параметров’эквивалентной схемы по формулам:
Q « [2 Сн (/ - А)//!)] VR^/R^ (2.29)
со « Сн /(7?1Э//?Х) - 1; Lx == 1 /4 л2 /2Сх. (2.30)1(2.31)
Формула (2.29) получена на основании (2.14) и (2.12), а (2 30)
тождественна (2.14).
Во многих случаях для резонаторов широкого применения''мож-
но ограничиться измерением у каждого образца только двух пара-
метров: fi и R\ или f и Ria в зависимости от назначения резонато-
ра, а два других измерять выборочно, учитывая, что реактивные
параметры сравнительно точно повторяются от образца к образцу.
Уровень возбуждения резонатора при измерении параметров и
испытаниях должен приблизительно соответствовать уровню воз-
Полная эквивалентная схема двухэлектродного резонатора 47
буждения в рабочем генераторе. В унифицированных испытатель-
ных устройствах необходимо предусматривать возможность регули-
ровки уровня возбуждения резонатора.
2.7
ПОЛНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА
ДВУХЭЛЕКТРОДНОГО КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
Эквивалентная схема рис. 2.2а не отражает некоторых характери-
стик резонаторов, которые следует учитывать в ряде случаев их
применения. Более полная эквивалентная схема кварцевого резона-
тора приведена на рис. 2.7, где 7?и представляет собой сопротивле-
ние изоляции между выводами; LB, Св и J?B — распределенные ин-
дуктивности, сопротивления и емкости выводов резонатора и дета-
лей крепления пьезоэлемента. Если резонатор имеет металлический
Рис 2 7. Полная эквивалентная схе-
ма резонатора, учитывающая со-
противление, индуктивности и емко-
сти вводов
Рис 28 Эквивалентная схема резо-
натора, учитывающая емкести меж-
ду выводами и между выводами и
корпусом
корпус, то Св отражают емкости каждого из электродов и соеди-
ненных с ними металлических частей относительно корпуса; Со» —
параллельная емкость самого пьезоэлемента.
Поскольку резонатор предназначен для работы только в очень
узкой полосе частот, близких к номинальной, схема рис. 2.7 может
быть приведена к упрощенной схеме рис. 2.2а. На частотах в де-
сятки и сотни мегагерц из-за влияния индуктивностей LB измерен-
ное значение Со оказывается различным у одного и того же резо-
натора при работе его на разных обертонах. На частотах до 10—
20 МГц влияние LB обычно можно не учитывать. Сопротивление
У?и приходится учитывать только у низкочастотных резонаторов
при работе их во влажной среде; оно может быть пересчитано в
последовательную ветвь как соответствующее увеличение сопротив-
ления потерь Для резонаторов с металлическими корпусами на
частотах до 50 МГц достаточно учитывать только емкость между
корпусом и выводами резонатора [25], и эквивалентная схема в этом
случае будет иметь вид, показанный на рис. 2.8.
48
Кварцевый резонатор как элемент электрической цепи
2.8
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА
ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНОГО КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
Мйогополюсные резонаторы используются преимущественно на ча-
_ стотах от 1 до 1000 кГц. На рис. 2.9 изображена эквивалентная
схема [28] четырехполюсного кварцевого резонатора, пьезоэлемент
которого в общем случае имеет несимметричные электроды, т. е.
Рис 2.9. Эквивалентная электрическая схема четырехполюсного ре-
зонатора <
когда расположение электродов различно или их площади не рав-
ны между собой. Значения эквивалентных параметров элементов
этой схемы составляют:
Lu = Lr (1 4- л); Сп = С1/(1 п);
^-12= 0 4" 1/л); ^12= ^1/(14"
#п = #i (1 n); Qi= 0/(1 4"п);
#12 — #i (1 4" 1/л); Ог= 0/(14" 1/л)>
где через п обозначен модуль коэффициента передачи идеального
трансформатора, а через Сь #i и Со — значения параметров
элементов эквивалентной схемы двухполюсного резонатора, полу-
чающегося при попарном соединении его полюсов первого с третьим
и второго с четвертым. У четырехполюсного резонатора фаза вы-
ходного сигнала сдвинута на 180° по отношению к фазе входного
сигнала, поэтому коэффициент передачи идеального трансформатора
имеет знак минус. Если резонатор имеет пьезоэлемент с симметрич-
ными электродами, то п=1.
Эквивалентная схема трехполюсного резонатора получается со-
единением полюсов 2 и 4 между собой.
Признаки классификации резонаторов
49
3.
Классификация,
конструкции резонаторов
3.1
ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ РЕЗОНАТОРОВ
К настоящему времени определились основные признаки классифи-
кации резонаторов. Они зафиксированы международными и обще-
союзными нормализационными документами [29, 30] Однако суще-
ствующую классификацию нельзя считать полной и законченной.
В основу классификации резонаторов положены следующие ос-
новные признаки: назначение; диапазоны частот; стабильность ча-
стоты; жесткость условий эксплуатации; виды колебаний и срезов
пьезоэлементов; конструктивные данные.
Остановимся на каждом из них
Назначение. По назначению принято различать: резонато-
ры для генераторов (генераторные) и резонаторы для фильтров
(фильтровые). В конструктивном отношении между ними обычно
нет различий. Они различаются требованиями к электрическим па-
раметрам. В последнее время возник еще особый класс резонато-
ров-датчиков.
Генераторные резонаторы, в свою очередь, подразделяются на:
резонаторы для генераторов фиксированных частот; резонаторы
для управляемых по частоте генераторов; резонаторы для термо-
компенсированных генераторов; резонаторы для генераторов удар-
ного возбуждения. Для фильтровых резонаторов четкого деления
на группы нет, однако иногда считают целесообразным выделять
резонаторы, предназначенные для использования в дискриминато-
рах. Резонаторы-датчики делятся на резонаторы-датчики температу-
ры, механических сил (ускорений, давлений и т. д), массы.
Резонаторы для генераторов. Для этих резонаторов обычно за-
дают требования на такие параметры, как рабочая частота, ее не-
стабильность от внешних воздействий, добротность или сопротивле-
ние. Значения реактивных эквивалентных электрических параметров
во многих случаях не нормируют. Иногда вместо требований к со-
противлению задают требования к активности. Для резонаторов,
используемых в управляемых и термокомпенсированных КГ, норми-
руют значения индуктивности или емкости Вместо этих параметров
предпочитают задавать требование на расстройку частоты резона-
тора при включении параллельно или последовательно с ним опре-
деленного реактивного элемента конденсатора или катушки индук-
тивности. Ослабление побочных резонансов обычно для резонато-
ров, используемых в КГ фиксированных частот, не менее чем
3,5 дБ. Для управляемых КГ требуется значительно большее ослаб-
ление побочных резонансов порядка 20—40 дБ в полосе частот,
вдвое большей полосы частот управления. В полосе частот управ-
50
Классификация, конструкции резонаторов
ления побочные резонансы должны отсутствовать Для резонаторов,
предназначенных для термокомпенсированных КГ, задают требова-
ния к ТЧХ, например положение точек То и допустимых изменений
частоты. При этом не допускаются нерегулярные изменения часто-
ты в интервале температур. Для резонаторов, применяемых в КГ
ударного возбуждения, особым требованием является необходи-
мость ослабления побочных резонансов в очень широкой области
частот, в частности необходимость сильного ослабления частот
Обертонов рабочего колебания.
Резонаторы для фильтров. Для этих резонаторов задают тре-
бования на отклонение частоты последовательного резонанса от
номинального значения и определенные значения индуктивности или
емкости. Допуски на отклонение индуктивности нормируются до-
статочно жестко — около 5—10%. Точно оговариваются полосы ча-
стот, в пределах которых должно быть обеспечено определенное
ослабление побочных резонансов. Требование к добротности обыч-
но ниже, чем для генераторных резонаторов, и добротность, если
фильтры не очень узкополосны, может быть порядка 104. Для
фильтров часто используют многополюсные резонаторы. Различия
требований к электрическим параметрам фильтровых и генератор-
ных резонаторов показаны в табл. 3.1.
4 Таблица 3.1
Характерные различия требований к параметрам
генераторных и фильтровых резонаторов
Наименование параметров Генераторные резонаторы Фильтровые резонаторы
Частота Задается отклонение ра- бочей частоты от номиналь Задается отклонение ча- стоты последовательного ре-
ного значения зонанса от номинального значения
Эквивалентные
параметры-
индуктив- Не нормируется Точно нормируется
ность (ем- кость)
сопротивле- Указывается максимально допустимое значение
ние
параллель- ная емкость Не нормируется Нормируется наибольшее значение
Побочные резо- Не нормируется или нор- Нормируется ослабление
нансы мируется ослабление побоч- ных резонансов более чем побочных резонансов в пре- делах заданной полосы час-
на 3,5 дБ ТОТ
Диапазоны частот. Предпринимались попытки установить
поддиапазоны частот резонаторов, однако границы их условны и
определяются в различных источниках по-разному. Твердо установ-
ленной классификации по диапазонам частот, по существу, нет.
Тем не менее в технической ли1ературе принято различать низко-
частотные, высокочастотные и» СВЧ резонаторы. При этом в боль-
шинстве случаев принимают границы для низкочастотных резона-
торов до 400 кГц, для высокочастотных — от 1 до 100 МГц, для
Признаки классификации резонаторов
51
СВЧ — свыше 100 МГц. Выделяют также диапазон средних ча-
стот: от 400 до 1000 кГц. Эти границы поддиапазонов условны, од-
нако они и термины для их обозначения, указанные выше, будут
использоваться в дальнейшем.
Стабильность частоты. Поскольку стабильность часто-
ты зависит от многих внешних факторов, возникают известные труд-
ности для четкой классификации по стабильности. Принято разли-
чать две группы резонаторов: весьма стабильные (прецизионные) и
обычные (широкого применения). Предусмотрена также классифи-
кация по стабильности частоты от температуры. Установлены стан-
дартные шкалы отклонений частоты от номинального значения и из-
менения ее от температуры для разных стандартных температурных
интервалов (табл. 3.2—3 4) [11, 23, 29].
Таблица 32
Стандартные допуски на относительное отклонение
частоты резонаторов от номинального значения
(точность настройки)
Точность Обозначение Точность Обозначение
настройки класса точности настройки класса точности
Х1®« настройки Х10« настройки
±0,5 6 ±15,0 14
±1,0 7 ±20 ,0 15
± 1,5 8 ±25,0 ±30 ,0 16
±2,0 9 17
±2,5 10 ±50,0 18
±3,0 1 11 ±75 ,0 19
±5,0 12 ±100,0 20
±10,0 13
Таблица 3.3
Стандартные интервалы температур
Интервал рабочих
температур, К, °C
Обозначение
интервала ра-
бочих темпе-
ратур
Интервал рабочих
температур, К, °C
Обозначение
интервала ра-
бочих темпе-
ратур
263—333 (—10—+60)
233—343 (—40++70)
233—358 (—40+—+85)
213—358 (—60++85)
213—375 (—60++100)
213—398 (-60++125)
318—328 (+45++55)
328—338 (+55-++65)
338—348 ( + 65+-+75)
348—358 (+75+—+85)
322—324 (+49+—1-51)
332—334 (+59+4-61)
342—344 (+69++71)
352—354 (+79++81)
Л
М.
Н
п
р
с
т
Жесткость условий эксплуатации. Неоднократно
предпринимались попытки нормализации и ограничения условий
эксплуатации, однако для этих элементов радиоэлектронной аппа-
ратуры они сталкиваются со значительными трудностями, обуслов-
ленными, с одной стороны, многообразием условий эксплуатации
52
Классификация, конструкции резонаторов
Таблица 34
Стандартные допуски на изменение частоты резонаторов
в интервале температур
Максимальное относительное изменение рабо- чей частоты в ин- тервале рабочих температур X10* Обозначение клас- са максимального относительного изменения рабо- чей частоты Максимальное относительное изменение рабо- чей частоты в интервалах ра- бочих темпе- ратур Х106 Обозначение клас- са максимального , относительного изменения рабо- чей частоты
±0,1 Г ±25,0 Р
±0,2 Д ±30 ,0
±0,5 Е ±35,0 3
± 1 ,0 Ж ±40,0 я
±1,5 А ±50,0 Т
±2,0 И ±75 ,0 У
±2,5 К ±100,0 Ф
' ±3,0 Л ±150,0 X
±5 ,0 м ±200,0 ц
±7,5 ’ Б ±300,0 ч
±10,0 Н ±400 ,0 ш
±15,0 В ±500,0 щ
±20 ,0 П
специальной аппаратуры и, с другой, — неизбежным расширением
допусков на изменение частоты и других параметров при ограни-
чении числа групп жесткости эксплуатации. Стандартами [11, 12]
предусмотрены четыре группы жесткости, которые, однако, далеко
не всегда удовлетворяют потребителей, в связи с чем требования к
условиям эксплуатации в таких случаях оговариваются в частных
технических условиях.
Виды колебаний и срезов. По видам колебаний раз-
личают резонаторы изгибных, крутильных, продольных и сдвиго*
вых колебаний. Кроме того, указывают разновидности этих коле-
баний, определяемые частотными размерами ПЭ. Для изгибных ко
лебаний это колебания по ширине или по толщине, для крутиль
ных — колебания по длине, для продольных — колебания по дли
не, по ширине или по толщине, для сдвиговых — колебания по ши
рине (контурные) или по толщине.
Для всех указанных видов колебаний известны срезы с малыу
ТКЧ или другими оптимальными характеристиками. Каждый ви^
колебаний и среза перекрывает определенный диапазон частот. Не-
которые срезы используют для возбуждения разных видов колеба-
ний, поэтому указания геометрических характеристик среза оказы-
вается недостаточно и требуется уточнение разновидности всзбуж<
даемых колебаний. Это обстоятельство облегчает описание характе
ристик резонаторов того или иного среза и вида колебаний, поэтом)
во всех каталогах и руководствах по резонаторам принята класси-
фикация по видам срезов и колебаний ПЭ.
В технической литературе как отечественной, так и зарубеж-
ной отсутствует единообразие в обозначении типов резонаторов, оп-
ределяемых видами колебаний и срезов. За рубежом чаще исполь-
зуются буквенные обозначения, предложенные Сайксом [21]. Чаете
Признаки классификации резонаторов
53
Таблица 35
Наиболее употребительные типы кварцевых резонаторов и срезов
Условные обозна- чения, принятые Разновидности колебаний Обозначения среза [30] Примечания
в спра- вочни- ке за рубежом
ХА н Изгиб по ширине ху, xys/a Изгиб в плос-
ХБ J Изгиб по толщине xys/a кости YZ а — от —2 до + 9° Сдвоеннныи ПЭ
хв XY—bar Изгиб в плоскости xys/a ПЭ стержень
НТ N, NT XY' Изгиб по ширине zyb/y xys l/a/$ а — от 0 до 83
ВП Кручение yxl/ ±45° 3 — от ± 40 до ±60° ПЭ стержень
хт Е, 5Х, ХТ Продольные по xys/a а — от 0 до 7®
ХФ . мт F, —18Х м, МТ длине То же » xys/—18 ,5° xysl/a/ft а — от 0 до 9е ' —
ЖТ GT Продольные по yxZs/51°/± 45° 3 — от ±35 до ±50°
ДТ . DT ширине Сдвиг по контуру yxl/—52° Квадратные и
ДТ DT, SL Сдвиг по ширине yzb/— 52° yzb/—52° круглые ПЭ Удлиненные ПЭ
ЦТ С, СТ То же yxl/—52° yxl/38° с разными отно- шениями длины к ширине
ЕТ ЕТ Сдвиг по контуру yxl/&6°—69°
АП — (обертон) Сложный («ко- yxl/— 45° ПЭ стержень.
БП сой») сдвиг То же yxl/— 45° »
АТ А, АТ Сдвиг по толщине yxl/33° —
БТ В, BT,\YTi То же yxl/—49° ——
ИТ IT > yxbl/ + 19735° —
РТ RT » yxbl/±15°/—34° —
применяют одинаковые обозначения для резонаторов и для срезов
ПЭ. Однако для резонаторов разных видов колебаний, но одного и
того же среза, например для резонаторов изгибных и продольных
колебаний, такие обозначения неприемлемы из-за неоднозначности.
В отечественной литературе типы резонаторов в большинстве случа-
ев обозначаются по виду среэа. Срезы и типы резонаторов
обозначают буквами русского (и реже латинского) алфавита, от-
крытые и исследованные в СССР — буквами русского алфавита
Для резонаторов изгибных и продольных колебаний, для которых
в отечественной литературе не было обозначений, они введены. В
табл. 3 5 приведены обозначения, принятые в настоящем справоч-
нике и используемые за рубежом.
Конструктивные данные. Резонаторы принято класси-
фицировать по форме, размерам и материалу корпусов, а также по
расположению, числу, форме, размерам и назначению выводов, на*
54
Классификация, конструкции резонаторов
лвчию отвода от металлического корпуса Корпуса различают гер-
метичные и негерметичные Последние используются в устаревших
типах резонаторов Герметичные резонаторы делятся на газонапол-
ненные и вакуумные К конструктивной классификации следует от
нести число полюсов резонатора, а также число рабочих частот для
так называемых многочастотных резонаторов
3.2
КОНСТРУКЦИИ РЕЗОНАТОРОВ
Резонатор состоит из трех основных частей или узлов корпуса
(оболочки), кварцедержателя и пьезоэлемента
Корпуса Корпус (оболочка) резонатора предназначен для
защиты ПЭ от различного рода внешних механических и климати-
ческих воздействий, могущих вызвать его повреждения или оказы-
вающих нежелательные влияния на его электрические параметры
Корпуса имеют выводы для соединения электродов ПЭ с внешней
электрической цепью Корпуса состоят из двух частей основания
и кожуха (колпачка, баллона) Современные резонаторы имеют,
как правило, герметичные корпуса, надежно защищающие их от
действия влажности, изменений внешнего атмосферного давления и
быстрых изменений температуры Материалы элементов корпуса и
материалы, используемые для соединения его частей, так же как и
все внутренние детали резонатора, не должны быть источниками
даже ничтожных загрязнений ПЭ Внутренний объем корпуса за
полняют сухим инертным газом или воздухом при давлении, близ-
ком к атмосферному, или создают внутри него разрежение не ме
нее 10 Па В первом случае резонаторы называют герметичными,
во втором — вакуумными
Корпуса делят на две основные группы металлические и стек
лянные Существуют еще конструкции резонаторов с керамическими
корпусами, однако они имеют ограниченное применение Стеклян-
ные корпуса используют преимущественно для вакуумных резона
торов, металлические — для герметизированных и для вакуумных
Наблюдается тенденция к замене стеклянных корпусов металличе-
скими Корпуса каждого типа имеют несколько модификаций (ти
поразмеров), что обусловлено различиями размеров ПЭ Для резо-
наторов используют как специально разработанные для них корпу-
са, так и стандартные корпуса от электровакуумных и полупровод
никовых приборов
Корпуса различаются также конструкцией выводов Некоторые
типы корпусов имеют жесткие выводы (штырьки), предназначенные
для разъемных соединений и допускающие иногда и соединение
пайкой Многие типы корпусов имеют гибкие выводы для соедине
ния пайкой или сваркой В современной аппаратуре разъемные со-
единения для резонаторов используют сравнительно редко, преиму-
щественно при смене резонаторов или извлечении их из аппарату-
ры для транспортировки
Качество резонаторов в значительной мере определяется спосо
бом соединения частей корпуса В металлических корпусах основа
ние с кожухом соединяют пайкой мягкими припоями, контактной,
плазменной, лазерной или холодной сваркой Любая из перечислен-
Конструкции резонаторов
55
них сварок обеспечивает вакуум плотность Многие предприятия
при пайке корпусов применяют флюс, следы которого неизбежно
попадают внутрь корпуса, что отрицательно отражается на стабиль-
ности частоты во времени Бесфлюсовая пайка корпуса обеспечи-
вает меньшее старение резонаторов Сварные соединения более на-
дежны и гарантируют меньшее старение Части стеклянных корпу-
сов соединяют спайкой на газовом пламени или токами высокой
частоты В дешевых с невысокими параметрами резонаторах ранее
применялись клеевые соединения частей корпуса, однако ввиду ма-
лой надежности их производство прекращено.
Большинство типов корпусов стандартизовано [31], однако не-
которые из них не удовлетворяют современным требованиям, что
повлекло появление и использование различного рода нестандарт-
ных корпусов
Стандартные металлические корпуса для герметичных резона-
торов
По форме различают три вида корпусов
плоские прямоугольные корпуса для вертикального монтажа
(типы Б, П, Г и М),
квадратные (модульные) корпуса для вертикального монтажа
(тип У),
круглые плоские и удлиненные корпуса для горизонтального и
вертикального монтажа — корпуса от транзисторов и подобные им
(тип Т)
По методу герметизации эти корпуса делят на паяные (типы
Б, П, Г, М и У) и холодносварные и сварные (тип Т)
Корпуса Б следует рассматривать как устаревшие, малопригод-
ные из за больших размеров для современной аппаратуры
Корпуса П имеют вдвое меньшую толщину, чем корпуса Б;
при горизонтальном их расположении на платах они сочетаются с
микросхемами и должны в дальнейшем заменить корпуса Б Их
размеры позволяют размещать в них все ПЭ, которые размещают-
ся в корпусах Б
Корпуса Г имеют четыре вывода и предназначены для монта-
жа в них двух ПЭ Их габариты почти те же, что и у корпусов Б
Корпуса М — миниатюрные, форма и размеры позволяют ис-
пользовать их в современной аппаратуре и компоновать с микро-
схемами
Корпуса У разработаны для микромодульной аппаратуры,
вследствие чего их называют также микромодульными Однако вви-
ду несостоятельности программы микромодульного проектирования
они морально устарели, а их форма, размеры и расположение вы-
водов затрудняют или исключают использование в микроэлектрон-
ной аппаратуре Кроме того, расстояние между выводами не соот-
ветствует шагу сетки печатного монтажа
Общим недостатком корпусов Б, Г, П, У, М являются гермети-
зация пайкой и отсутствие корпусного вывода (для заземления
корпуса) За рубежом выпускают варианты резонаторов в корпу-
сах Б и М, герметизированные холодной сваркой Выпуск таких
резонаторов начат нашей промышленностью Для горизонтального
монтажа корпусов типов Б и М некоторые зарубежные фирмы
снабжают их приваренными к верхней части кожуха штырями, ис
пользуемыми также для заземления Отечественные корпуса Б, Г,
56
Классификация, конструкции резонаторов
, Т а б л и ц а 3.6
Конструктивные варианты стандартных металлических корпусов
кварцевых резонаторов
Тип Конструктивный вариант, обозначаемый по Выводы Методы гермети- зации
ГОСТ 6503—75 OCTI 1 338002—75 МЭК США
Б Б1 52 БЗ Ml М2 М3 БА БГ ББ БД БВ ПА ГА МА МГ МБ МД МВ ME ТА ТБ ТВ УА—УЕ УЖ—УН АА ВС HC-8/U НС- &/U HC-6/U HC-&/U НС-18/и HC-18/U HC-18/U НС-1 8/U НС-1 8/U Два жестких вывода 1о же Два гибких вывода То же Два жестких вывода под пайку Два жестких вывода Четыре жест- ких вывода под пайку Два жестких вывода То же Два гибких вывода То же Два жестких вывода под пайку Три жестких вывода под пайку Четыре жест- ких вывода под пайку То же Два гибких вывода Два жестких вывода под пайку То же Пайка Холодная сварка Пайка Холодная сварка Пайка » Холодная сварка Пайка Холодная сварка Пайка > Холодная сварка То же Конденса- торная сварка Пайка »
П
Г М
т
У
П, М и У могут иметь луженую часть поверхности кожуха, что по-
зволяет осуществлять их крепление посредством лайки к этой по-
верхности. Они рассматриваются как разновидности указанных
корпусов.
Корпуса Т похожи на корпуса транзисторов Их герметизация
осуществляется холодной сваркой. Они несколько уступают зару-
бежным аналогам, имея больший размер сварного бортика, что
увеличивает их габариты. Эти корпуса имеют корпусные выводы
для заземления.
Конструкции резонаторов
57
Корпуса выпускают с различными видами выводов Например,
корпуса типов Б и М выпускают со штырьками для разъемного со-
единения и с выводами под пайку как гибкими, так и жесткими.
Корпуса Г, П, У, Т выпускают только с выводами под пайку, од-
нако большой диаметр (0,5—0,9 мм) и жесткость материала выво-
дов существенно затрудняют монтаж.
Рис. 3 1 Герметичные резонато-
ры в металлических корпусах
типов Б и П с выводами
а) с штырьками для разъемных
соединений; б) с гибкими выво-
дами под пайку; в) с жесткими
выводами под пайку
Конструктивные варианты металлических корпусов и их услов-
ные обозначения приведены в табл. 3 6, а их форма и размеры да-
ны на рис. 3 1—3 5 и в табл. 3 7—3 10.
Стандартные стеклянные корпуса для вакуумных резонаторов.
В качестве стеклянных корпусов для вакуумных резонаторов ис-
пользуют преимущественно колбы (баллоны) и ножки от электро-
вакуумных приборов (радиоламп), октальной, пальчиковой и ми-
ниатюрной серий Соответственно корпуса получили условные наи-
менования — Ц (октальные), Д (девятиштырьковые пальчиковые),
С (семиштырьковые пальчиковые) и Э (миниатюрные) Корпуса
имеют большое число типоразмеров, различающихся длиной корпу-
са, и разновидности, различающиеся конструкцией выводов Корпу-
58
Классификация, конструкции резонаторов
са Д и С могут иметь как жесткие выводы (штырьки) для соеди-
нения с панелью, так и мягкие выводы под пайку. Соединения вы-
водов с электродами ПЭ стандартизованы и осуществляются в кор-
пусах Д, С и Э так, как показано в табл. 3.11.
Рис. 3.2. Герметичные резонаторы в металлических
корпусах типа Г. Допускается изготавливать резона-
торы с луженой поверхностью Т и имеющей толщину
0,2 мм
Корпуса Ц и Ж из-за больших размеров в настоящее время
используются редко, преимущественно для прецизионных резона-
торов.
На рис. 3.6—3,11 и в табл. 3.12—3.17 приведены форма и раз-
меры стандартных стеклянных корпусов резонаторов и их условные
обозначения. Наличие разных условных обозначений для одного
корпуса обусловлено действием ГОСТ 11599—67 и ОСТ
11 338002—75. Некоторые изготовители применяют индексы типо-
размеров корпусов, состоящих из букв и цифр, обозначающих тип
корпуса и его длину в мйллиметрах. Подобные условные обозначе-
ния более удобны для потребителей, чем стандартные обозначения,
и широко используются за границей.
Изготовители прилагают или указывают схему цоколевки ре-
зонаторов в паспорте резонатора. Гибкие выводы, не соединенные
с электродами, изготовители нередко обрезают, а сдвоенные выво-
ды — свивают вместе.
Разработаны и освоены в производстве стеклянные корпуса,
форма и размеры которых, а также расположение и размеры вы-
водов, как у металлических корпусов Б и М. Эти корпуса обозна-
чаются соответственно КБ и КА. Герметизация обычных стеклян-
ных корпусов осуществляется сваркой на газовом пламени, корпу-
Таблица 37
Размеры кварцевых резонаторов, мм, в металлических корпусах типов Б и П
Условные обозначения конструктив- ного варианта ^наиб ^наиб ^наиб А ^наиб Номер рисунка Метад герметизации
БА (Б1) ББ (Б2) БВ (БЗ) 19,3 9,0 19,7 J 2,35 ±0,15 6 ,0±0,3 4,0±0 ,3 1 ,25 0,60 0,80 3.1а 3.16 3.1а Пайка
БГ БД 19,2 9,2 , 6,0 + 0,3 6,0 + 0,3 1 ,25 0,60 3.1а 3.16 Холодная сварка
ПА 19,3 Б,0 19,8 12,4 + 0,2 13,7 (наиб.) 0,70 3,16 Пайка
Примечания: 1. Допускается изготовлять резонаторы с луженой поверхностью Т, при этом размеры боковых сто-
рон увеличиваются на 0,2 мМ. 2. Конструкция выводов для вариантов конструктивного исполнения резонаторов ББ и ПА
стандартом не устанавливаются. Гибкие выводы могут быть лепестковые, ленточные или проволочные. 3. Для рис. 3.1в:
h=2,2 мм; Zi = l,3 мм; £=0,8 мм.
Таблица 3.8
Размеры кварцевых резонаторов, мм, в металлических корпусах типа М
Условные обозначения конструктив- ного варианта ^наиб 5наиб ^наиб А 1 ^наиб Номер рисунка Метод герметизации
МА (Ml) МБ (М2) МВ (М3) 11.1 4,7 13,5 4,9 + 0,15 6,0 + 0 3 4,0±0,3 1 ,05 0,60 0,80 3.3а 3.36 З.Зв Пайка
МГ мд * 11 ,3 5 ,3 6.0+0.3 6,0±0,3 1 ,05 0,60 3.3а 3.36 Холодная сварка
ME 11,1 4 ,7 5,0 + 0,15 38,0 (наиб.) 0,60 3.3г Пайка
Конструкция резонаторов
Примечания: 1. Допускается изготовлять кварцевые резонаторы с луженой поверхностью Т, при этом размеры Н
увеличиваются на 0,2 мм. 2. Конструкция выводов для корпусов МБ, МД стандартом не устанавливается. 3- Для рис. 3.3«: сл
Л —1,9 мм; Zi —1,3 мм; £—0,8 мм. <₽
60
Классификация, конструкции резонаторов
Рис 3 3 Герметичные резонаторы в металлических корпусах типа М
а) с жесткими штырьками для разъемных соединений, б) с гибкими вывода-
ми под пайку, в) с жесткими выводами под пайку, г) с гибкими выводами
под пайку
сов типа К — сваркой токами высокой частоты в вакууме Резона-
горы в корпусах типа К отличаются высокой стабильностью
Нестандартные корпуса К нестандартным корпусам относятся
разновидности корпусов Б, П и М с высотой, большей или мень-
шей установленных стандартом (см табл 3 7—3 10) Например, не-
которые предприятия выпускают удлиненные (с большой высотой)
корпуса типа Б для низкочастотных резонаторов Корпуса П и М с
меньшей высотой (6 мм) используют для микрорезонаторов За ру-
бежом широко распространены сверхминиатюрные корпуса, похо-
Конструкции резонаторов
61
Рис 3 4 Герметичные резонаторы в
металлических корпусах типа У
Рис 3 5 Герметичные резонаторы в металлических корпусах типа Т
жие на корпуса М, но с меньшими размерами (8,5X7, 5x2,5 мм).
Подобные корпуса используют и некоторые отечественные предприя-
тия, однако широкого распространения они не нашли
Рис 3 7 Вакуумные резона-
торы в стеклянных корпусах
типа С
а) с жесткими штырьками
для разъемных соединений,
б) с мягкими выводами под
пайку
Рис. 3 6 Вакуумные резонаторы
в стеклянных корпусах типа Э
Рис 3 8 Вакуумные резона
торы в стеклянных корпусах
типа Д
л) с жесткими штырьками
для разъемных соединений,
б) с мягкими выводами под
пайку
Рис. 3 9. Вакуумные ре-
зонаторы в стеклянных
корпусах типа Ц
Классификация, конструкции резонаторов
Конструкции резонаторов
63
Все большее пр вменение находят резонаторы в корпусах от
транзисторов и микро чем За рубежом в таких корпусах выпу-
скают герметичные и вакуумные резонаторы Отечественные пред-
Таблица 39
Размеры резонаторов, мм, в металлических корпусах
типа У
Условное обозначение конструктивного варианта ^наиб А
УА 15,0
УБ 18,0
УВ 22 ,0 3,0 + 0,12
УГ 25,0
УД 28,0
УЕ 34 ,0
УЖ 15,0
уи 18,0
УК 22,0 5,0+0,15
УЛ 25,0
УМ 28,0
УН 34,0
Примечания 1 Общими для всех конструктивных вариантов явля
ются размеры 'Знаиб=="Д> ^i = 6,0±0,3, Ьнаиб = 10,68, <2наиб = 1,1 2 ДЪпуска-
ется изготовлять резонаторы с лужеными поверхностями Т, при этом размеры
Н и Ъ увеличиваются на 0,2 мм
64
Классификация, конструкции резонаторов
приятия выпускают герметичные резонаторы в корпусах от микро-
схем, форма и размеры которых показаны на рис. 3 12. Следует
ожидать более широкого их распространения. За рубежом приме-
няют большое число типоразмеров транзисторных корпусов диамет-
Таблица 3 10
Размеры кварцевых резонаторов, мм, в корпусах типа Т
Конструк- тивный вариант 1 Номер рисунка О S О S 1Ц 5; 'О со К
ТА ТБ ТВ 3.5а 3.56 16,50 24,60 6,5 6,5 7,5±0,2 15,0 + 0,2 5,0 + 0,2 Ю,0±0,2 12,7 19,9 13,0 20,6 1 2,5±0,2|4 ,0 12,0 5,0
3.5в 5,85 15,0 25,0 + 0,1 — — 0,5 —
Рис 3 12 Герметичные резонаторы в металлических корпусах:
а) от интегральной схемы; б) от полупроводникового прибора
ром 10 мм, различающихся высотой, что позволяет использовать
их для всего диапазона частот резонаторов. Такие резонаторы име-
ют на 30% меньшую длину, чем резонаторы с корпусами типа Э,
и много компактнее резонаторов типа У.
Вакуумные микрорезонаторы выпускаются в специальных ме-
таллических корпусах (рис. 3 13 и 3.14). Некоторые предприятия
изготавливают резонаторы в стеклянных баллонах от электрова-
Конструкции резонаторов
65
Таблица 3.11
Соединение выводов резонаторов в стеклянных корпусах
с электродами пьезоэлемента
Тип корпуса Число полюсов и ПЭ Выводы
основные сдвоенные
С, Э Двухполюсные Трехполюсные Четырех полюсные Два ПЭ Двухполюсные Трехполюсные Четырехполюсные Два ПЭ 1, 5 1, 3, 5 1, 3, 5, 7 1 и 5; 3 и 7 1, 6 1, 3, 6 1, 3, 6, 8 1 и 6; Зя8 1—2 и 5—6 1—2, 3—4, 5—6 1—2, 3—4, 5—6, 7—8 1—9,. 6—4 1—9, 3—2, 6—4 1—9, 3—2, 6—4, 8—7 1—2 и 6—7, 3—4 и 8—9
Д
Примечание. В корпусах С один полюс присоединяется только к вы-
воду 7.
Таблица 3.12
Размеры, мм, стеклянных корпусов вакуумных резонаторов типа Э
Условные обозначения F ном , ^наиб
принятые для указания габарита ОСТ И 338002—75 мэк
Э22 ЭА 15 22
Э27 ЭБ — 20 27
Э32 ЭВ — 25 32
Э37 ЭГ — 30 37
Э4 2 ЭД BV 35 42
Э47 ЭЕ — 40 47
Э52 эж BW 45 52
Э62 ЭИ вх 55 62
Э7 2 ЭК BY 65 72
Э82 ЭЛ — 75 82
Э92 эм — 85 92
Э107 ЭИ — 100 107
Примечания: 1. Вывод 8 обрезан до 1 или 8 мм. 2 Допускается по-
парно свивать выводы, при этом неиспользуемые выводы обрезают до 1 мм.
3. Линия купола баллона, от которой измеряется размер F, определяется
кольцевым калибром с внутренним диаметром 5,3± 0,025 мм 4. Наибольший
диаметр баллона 0=10,16 мм; наименьшие длины выводов Z = 12; 24, 38 мм.
куумных приборов диаметром 12,7 и 14,0 мм. Эти резонаторы по
размерам меньше резонаторов С, но больше резонаторов Э. Выпу-
скаются также так называемые бескаркасные резонаторы в стек-
лянных баллонах диаметром 8, 10 и 12 мм с осевым и поперечным
расположением выводов.
Представление об использовании корпусов различных типов по
диапазону частот дает диаграмма на рис. 3.15.
Пьезоэлементы и пьезовибраторы. Резонаторы ха-
рактеризуются большим разнообразием типов используемых пьезо-
3—104
66
Классификация, конструкции резонаторов
Таблица 3.13
Размеры, мм, стеклянных корпусов малогабаритных вакуумных
резонаторов типов С1 и С2
Условные обозначения ^наиб F 1 ном
иринятые для указания габарита ОСТ 11 33-8002—75 мэк
С1 и С2 С1 С2 С1
€29 СА СН 29,0 20,0
С34 СБ СП 34,0 25,0
С41 СВ СР 41 ,0 32,0
С48 СГ сс АР 47,6 38,1
С54 сд ст — 54,0 45 ,0
С64 СЕ СУ AR 63,5 54,0
С74 СЖ СФ 74,0 65,0
С86 СИ сх as 85,7 76 ,2
С98 СК сц АТ 98 ,4 88 ,9
С111 СЛ сш AU 111,1 101,6
С124 см сэ AV 123,8 1 14,3
Примечания' 1. Расположение штырьков и их размеры — по ГОСТ
Т842—71, тип. РШ4 2 Допускается попарно свивать гибкие выводы у корпусов
С2, при этом неиспользуемые выводы отрезают до 1 мм. 3. Линия купола
баллона, от которой измеряется размер F, определяется кольцевым калибром
е внутренним диаметром 11,1±0,025 мм. 4, Наибольший диаметр баллона Р=
»19,0 мм; 1&именьшие длины гибких выводов Li = 12; 24; 38 мм; наибольший
диаметр выводов d=0,6 мм.
Таблица 3.14
Размеры, мм, стеклянных корпусов вакуумных резонаторов
типов Д1 и Д2
Условные обозначения F ном ^наиб
принятые для указания габа- рита ОСТ 11 338002—75 мэк
Д1 и Д2 Д1 Д2 Д1
Д29 ДА дн 20,0 29 ,0
Д34 ДБ дп 25,3 34,0
Д38 ДБ др AW 28,6 38,1
Д43 ДГ дс —— 34 ,0 43,0
Д49 дд дт АХ 39,7 49,2
Д54 ДЕ ДУ —- 45,0 54 ,0
Д60 ДЖ Дф AY 50,8 60,3
Д71 ди дх AZ 59,6 71 ,4
Д86 дк ди ВА 73,9 85 ,7
дюо дл дш ВВ 88,2 100,0
ДГ14 дм дэ СН 102,8 114 ,3
Примечания. 1. Расположение штырьков и их размеры — по ГОСТ
7842—71, тип РШ8. 2. Допускается попарно свивать гибкие выводы у корпусов
Д2, при этом неиспользуемые выводы отрезают до 1 мм. 3. Линия купола бал-
лона, от которой измеряется размер F, определяется кольцевым калибром с
внутренним диаметром 11,1 ±0,025 мм. 4. Наибольший диаметр баллона D=
=22,5 мм; наименьшие размеры гибких выводов Li=12, 24, 38 мм; наибольший
диаметр выводов d=0,6 мм.
Конструкции резонаторов
67
Таблица 3.15
Размеры, мм, стеклянных корпусов резонаторов типа Ц
условные обозначения найм Прочие
принятые для указа- ния габарита ОСТ 11 338002—75
Ц40 НА 40 £*наиб = 30
Ц50 ЦБ 50 d= 0,6
Ц70 ЦВ 70 h = 2
Ц85 ЦГ 85 СО СО сч — О’ 00 — 11 II 1 ч; a kj
Таблица 3 16
Размеры, мм, стеклянных корпусов резонаторов типа К
Условные обозначе- ния кон- структив- ного ва- рианта ^"наиб ®паиб ^наиб А Lt d
КА 12,0 5,5 14,0 4,90 + 0,15 6,0 1 ,05
КБ 20,5 11 ,0 20,0 12,35 + 0,15 6,0 1 ,25
Примечание. Допускается лужение выводов, при этом размер d
увеличивается на 0,1 мм.
Таблица 3.17
Размеры, мм, стеклянных корпусов резонаторов типа Ж
Условные обозначения Г_Г найм ^наиб Прочие
принятые для указания габарита ОСТ 11 338002—75
Ж25 ЖА 22 28 ^наиб ~ 34 ’3
Ж35 ЖБ 32 38 d = 0,7
Ж45 ЖВ 42 48 h= 15
Ж55 ЖГ 52 58 Li=25, 38, 50
Ж65 жд 62 68
3*
68
Классификация, конструкции резонаторов
Рис. 3.14 Вакуумные микрорезонаторы в металлических корпусах для элек-
тронных наручных часов
Конструкции резонаторов
69
элементов, различающихся формой и размерами кристаллических
элементов, ориентацией их относительно основных кристаллографи-
ческих направлений кристалла, а также формой, размерами, числом
и расположением электродов
Кристаллические элементы имеют форму пластин или стерж-
ней Обычно пластины бывают прямоугольные, квадратные или
круглые. На пластинах могут быть фаски различной формы, суще-
ственно определяющие характеристики ПЭ Сравнительно редко ис-
Рис. 3 15 Диаграмма, иллюстрирующая преимущественное использование кор-
пусов резонаторов различных типов по диапазону частот
70
Классификация, конструкции резонаторов
пользуют пластины в виде треугольника, параллелограмма и т. д.
Большие грани пластин могут быть плоскими или выпуклыми.
Стержни в подавляющем большинстве случаев имеют прямоуголь-
ное, одинаковое по всей длине сечение. Редко используют стержни
круглого сечения. Нашли применение кристаллические элементы
сложной формы — камертоны, кольца и т. д. В ряде случаев фор-
ма пластин или стержней усложняется наличием различных отвер-
стий, прорезей и щелей. Наконец, известна разновидность ПЭ, на-
зываемых составными, представляющая соединение двух или более
одинаковых, а иногда и различных по форме и размерам пластин
или стержней.
Электроды могут покрывать всю поверхность грани ПЭ или
только ее часть. В последнем случае электроды называют умень-
шенными, укороченными. На пластинах электроды располагают на
больших гранях. Стержни в большинстве случаев имеют электроды
на четырех гранях. Для возбуждения обертонов часто используют
так называемые секционированные (раз-
деленные) электроды, представляющие
систему электродов чередующейся по-
лярности. Различают электроды актив-
ные, включаемые во внешнюю цепь, и
пассивные, не включаемые во внешнюю
цепь. Наличие пассивных электродов и
их режим — холостой ход или короткое
замыкание — существенно влияют на не-
которые характеристики резонаторов. В
гл. I были показаны некоторые наиболее
распространенные типы электродов.
Кварцедержатели. Кварце-
держатели можно разделить на три ос-
новных типа: со свободным положением
ПЭ; с зажимным креплением; с прово-
лочным креплением.
Кварцедержатель со свободным по-
ложением ПЭ использовался на самой
ранней стадии развития кварцевого про-
изводства и в настоящее время не при-
меняется.
Зажимное крепление ПЭ характери-
зовало следующий этап развития резо-
наторов Резонаторы с зажимными квар-
Рис. 3.16. Устройство резо-
натора с зажимным крепле- цедержателями еще и в настоящее вре-
нием металлизированного ПЭ мя выпускаются' нашей промышленно-
стью. Они считаются устаревшими и в
новой аппаратуре используются редко. На рис. 3.16 изображено уст-
ройство резонатора с зажимным креплением металлизированного ПЭ.
Некоторые предприятия выпускают вакуумные резонаторы с таким
зажимным креплением на частоты от 500 до 2000 кГц.
В современных резонаторах крепление ПЭ осуществляется,
главным образом, посредством упругих элементов, припаянных,
приклеенных или приваренных к ПЭ. На низких частотах эти эле-
менты выполнены из прямых или изогнутых проволок, соответствен-
но называемых струнами и пружинами. Проволочные держатели
Конструкции резонаторов
71
иногда неправильно называют отводами, поскольку они выполняют
еще и функции проводников, соединяющих электроды ПЭ с выво-
дами и внешней цепью. Иногда ПЭ имеют отводы в полном смысле
этого слова в виде гибких тонких проволок, не несущих нагрузок,
обусловленных креплением. Нередко держатели не являются отво-
дами и служат только для крепления ПЭ. Термин «отвод» будет
использоваться только в отношении элементов, выполняющих функ-
ции электрических выводов и не являющихся элементами крепле-
ния. Проволочные держатели присоединяют к другому более жест-
кому узлу — кварцедержателю. Кварцедержатели состоят из стоек,
либо соединенных в каркасы, либо укрепленных в основании кор-
пуса и имеющих форму консолей.
На высоких частотах нет особой необходимости использовать
очень гибкие проволочные держатели, поэтому элементы крепления
делают более жесткими (из толстых проволок, в виде лент). Кар-
касные держатели являются отдельными узлами. Консольные дер-
жатели чаще составляют с основанием корпуса одно целое, и не-
редко консоли являются внутренней частью вводов, вваренных в
основание. В бескаркасных резонаторах кварцедержатель как от-
дельный элемент отсутствует. Пьезоэлементы крепятся непосредст-
венно к стенкам стеклянного баллона, который, таким образом, вы-
полняет функции кварцедержателя.
Кварцедержатель является важной частью резонатора, опреде-
ляющей многие электрические и эксплуатационные характеристики.
Следует иметь в виду, что присоединенные к ПЭ детали крепления,
например проволочные держатели, являются частью механической
колебательной системы и активно совершают вместе с ним колеба-
ния, тем самым влияя на ег'о частоту и другие электрические ха-
рактеристики. Проволочные держатели являются механическими
волноводами, по которым распространяются и рассеиваются в си-
стеме крепления упругие волны. На проволочных держателях уста-
навливают специальные элементы в виде дисков или шариков, на-
зываемые отражателями. Отрезок держателя с таким отражателем
представляет механический фильтр, задерживающий распростране-
ние и рассеяние колебаний в системе крепления. Точно установлен-
ные отражатели существенно улучшают добротность резонатора, а
главное, уменьшают температурные влияния крепления на частоту
и сопротивление. Роль отражателей могут выполнять стойки или
консоли при условии, что длина держателя кратна четверти длины
волны распространяющегося в нем механического колебания. В по-
давляющем большинстве случаев несоблюдение указанного условия
ухудшает параметры разонаторов и является причиной больших их
разбросов.
Крепление проволочных держателей к ПЭ и стойкам осуществ-
ляется пайкой мягкими припоями. Высокочастотные резонаторы кре-
пят проводящими клеями. За рубежом клеевой метод монтажа ши-
роко используется, однако в отечественных конструкциях он не по-
лучил распространения. В высокочастотных резонаторах иногда ПЭ
соединяют с держателями сваркой. Число проволочных держателей
и места их присоединения к ПЭ существенно определяют некото-
рые важные характеристики резонаторов.
Кроме проволочных держателей, имеются и другие присоединен-
ные элементы различного назначения. Размеры этих элементов мо-
гут быть незначительными по сравнению с длиной упругой волны,
72
Классификация, конструкции резонаторов
тогда их считают точечными, а их механические параметры рас-
сматривают как сосредоточенные при учете влияния на параметры
резонатора К сосредоточенным элементам относятся точечные мас-
сы, наносимые на ПЭ с целью настройки частоты, коррекции ТЧХ
или ослабления неженательных резонансов Размеры присоединен-
- ных элементов соизмеримы с длиной волны механических колеба-
ний Механические параметры таких элементов имеют распределен-
ный, волноводный характер К числу распределенных элементов от-
носятся проволочные волноводы, присоединяемые к ПЭ с целью
коррекции ТЧХ и ослабления побочных резонансов Наконец, как
присоединенные элементы следует рассматривать различного рода
покрытия К ним, в первую очередь, относятся тонкие пленки, на-
носимые преимущественно с целью настройки частоты Эти пленки
могут быть хорошо проводящими, плохо проводящими (резистивны-
ми) и диэлектрическими Иногда на периферийные участки ПЭ на-
носят поглощающие покрытия (в основном пленки органических ве-
ществ), обладающие вязкостью, предназначенные для ослабления
побочных резонансов Для этой же цели служат и тонкие резистив-
ные пленки, наносимые на периферийную часть высокочастотных ПЭ
3.3
СТАНДАРТИЗАЦИЯ
• Большая номенклатура, разнообразие требований на электрические
параметры, сложность их измерений существенно затрудняют стан-
дартизацию резонаторов Тем не менее Международной электро-
технической комиссии (МЭК) удалось выработать основные прин-
ципы стандартизации, которые легли в основу государственных и
. отраслевых стандартов Работы по стандартизации позволили соз-
дать классификацию и систему условных обозначений, уточнить
терминологию и определения, типы корпусов, их габариты, при-
соединительные размеры, ограничить интервалы рабочих темпера-
тур и относительных изменений частоты, установить единую систе-
му условных обозначений срезов Наконец, были выпущены стан-
дарты, содержащие технические условия на резонаторы [11—13]
Таким образом, потребители имеют возможность заказывать стан-
дартизованные резонаторы Далеко не во всех случаях стандарти-
зованные требования удовлетворяют потребителей, и тогда резона-
торы выпускают по согласованным частным техническим условиям
Для стандартизованных резонаторов установлена система ус-
ловных обозначений, состоящих из букв и цифр [29]
Пример полного условного обозначения
РК1КБ-12ГБ-61М-В-В ГОСТ 20297—74
Сокращенное обозначение выглядит так
РК1ОЭБ-ГОСТ 20297—74
Расшифруем обозначения Буквы РК — резонатор кварцевый
Идущие следом цифры — регистрационный номер типа резонатора
Следующие затем буквы — вариант конструкции резонатора дан-
ного типа Далее число — класс точности настройки частоты в со-
ответствии с табл 3 2 Буква Г — стандартизованный интервал
температур в соответствии с табл 3 3 Буква Б — класс допустимо-
го относительного изменения частоты в интервале рабочих темпе-
ратур в соответствии с табл 3 4 Следующее число — частота или
Стандартизация
73
Таблица 3 18
Условные обозначения интервалов температур
* Ролька для прецизионных резонаторов на отдельные частоты
•» Резонаторы изготавливаются только по требованию потребителя.
ее условный шифр, а буква (К или М) — единица измерения ча-
стоты (кГц или МГц) В килогерцах обозначают частоты резонато-
ров, работающих на колебаниях первого, а в мегагерцах — на коле-
баниях высшего порядков Для двойных резонаторов частоты ука-
зывают через дробную ч^рту Предпоследняя буква — вариант ре-
зонатора по электрическим параметрам Последняя буква (В) —
климатический вариант резонатора Предусматриваются два вариан-
та для эксплуатации во всех климатических районах (кроме Ан-
тарктиды) и в районах с холодным и умеренным климатом В пер-
вом случае ставится буква В, во втором — индекс опускается
Допускается сокращение обозначения до трех первых элемен-
тов Между третьим и четвертым, шестым и седьмым, седьмым и
восьмым, восьмым и девятым элементами обозначения ставится
дефис
Не следует полагать, что указанные в упомянутых выше таб-
лицах точности настройки и изменения частоты от температуры
могут быть выполнены в любых сочетаниях независимо от назна-
чения резонатора, величины интервала температур, частоты и т д
Таблицы 3 18 и 3 19 уточняют практически достигнутые производ-
ством сочетания этих требований, достаточные для большинства
случаев применения резонаторов
Условные обозначения интервалов температур таблица злэ
И А 6 в г д £ ж 3 И К л м н 0 п р с Т □
•I- 4- •I- I •I- 1 •I- + •I- •I- 1 -I- V •I- сГ3 4° ч^ •I- +• с?3 4^ •I- ч^ ч- +* С?-5 ч- СЪ ч- F^T +71°с\ ч-
Класс Максимальное отно- сительное отклонение частоты 6интервале температур то в Диапазон частот, кГц Точность настройки *10's Класс
Н ±10 4-800 •
9-800 • •
14-60. 100-800 • • •
20-60, 100-800 • • • •
0 ±15 4-800 •
9-800 • •
14-60, 100-809 • • •
20-60, 100-800 • • • •
П ±20 4-800 О о о о о о о о •о о о о о ±20 15
9-800 о о о о о о о о •о •о о о о
14-60, 100-800 о о о о о о О о •о •о • О о о
20-60, 100-800 о о о о о о о о •о •о •о •о о
Р ±25 4-800 о о о о о о о о •о о о о о ±25 16
9-800 о о о о о о о о •о •о о о о
14-60, 100-800 о о о о о о о о •о •о •о о о
20-60, 100-800 о о о о о о о о •о •о •о •о о
С ±30 4-800 • о о о о о о о о •о •о о о о ±30 17
9-800 •о о о о о о о о •о •о •о о о
14-800 •о о о о о о о о •о •о •о • О о
7 ±50 4-800 • о •о о о о о о о •о •о •о о о ±50 18
9-800 •о •о о о о о о о •о •о •о •о о
У ±75 4-800 •о •о •о о о о о о ±75 , 19
Ф ±100 4-800 •о •о •о о о о о о / ±100 20
X ±150 4-800 ' •о •о •о •о о о о о ±150 21*
и* ±200 ' 4-800 •о •о •о •о •о о о о ±200 22*
ч* ±300 4-800 •о •о •о •О •о •о • о о
* Резонаторы изеотавливртотср трлркр пр тррврврнат потребителя.
Классификация, конструкции резонаторов
Дестабилизирующие факторы
75
4.
Влияние внешних воздействий
на параметры резонаторов
4.1
ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ
К стабильности частоты устройств, в которых используются квар-
цевые резонаторы, во многих случаях предъявляют весьма высокие
требования. В настоящее время нестабильность частоты кварцевого
генератора порядка 10-6 является обычной, и часто она должна
быть на несколько порядков меньше. Столь высокие требования к
стабильности заставляют изучать и учитывать влияние на частоту
резонаторов самых разнообразных внешних воздействий: Влияние
некоторых внешних факторов на частоту значительно, другие же
вызывают относительно небольшие ее изменения, и их влияние сле-
дует учитывать только тогда, когда требуется достижение высокой
стабильности. Во многих случаях влиянием ряда факторов можно
пренебречь.
Внешние воздействия могут вызывать как обратимые, так и не-
обратимые изменения частоты. Иногда после прекращения того или
иного внешнего воздействия первоначальное значение частоты вос-
Таблица 4.1
Влияние различных внешних воздействий на частоту резонаторов
Внешние воздействия Относительное изменение час- тоты резонаторов различных классов нестабильности Х10* Примечания
низкой средней Jвысокой
Температура Время 200 25 0.1 Для резонаторов вы- сокой стабильности при изменении температуры порядка ±1°С вблизи точки нулевого ТКЧ
30—50 5—10 0,1—2 В течение года
Влажность 100—1500 5 — 10 0,1 — 1 При воздействии отно- сительной влажности 96—98% в течение 60—
Атмосферное 1 .0 0.1 0,1—0,01 100 суток При изменении давле-
давление Радиация ния от нормального до 10 Па
15—40 15—40 1 ,0-0,1 При воздействии быст- рых нейтронов и гамма-
Механические воздействия 5—10 0,5—5 0,1—0,5 излучения В нормальных услови- ях 10—15 g
Уровень возбуждения 1,0—10 0,1 — 1 ,0 0,01—0,1 При изменении мощно- сти рассеяния от 1 до 0,01 мВт
76 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
станавливается через некоторое время, например через несколько
часов или суток. Учет влияния дестабилизирующих факторов свя-
зан с известными трудностями, обусловленными их разнообразием
не только по виду, но и по интенсивности, спектру и т. д.
Основным дестабилизирующим фактором, влияние которого зна-
чительно больше других, является температура. Другим фактором,
который вслед за температурой вносит большой вклад в общую
нестабильность частоты резонаторов, является время. Влияние это-
го фактора может быть определено заранее только приближенно, с
небольшой достоверностью. Далее следуют такие факторы, как
влажность, атмосферное давление и разного рода механические
воздействия: удары, вибрации, акустические шумы, силы постоян-
ного направления, например гравитационные, центробежные и т. д.
Частота может изменяться при воздействии сил электрической и
электромагнитной природы, разного рода излучений в виде потоков.
элементарных частиц.
О порядке величин нестабильности частоты от различных де-
стабилизирующих факторов дают представление данные, приведен-
ные в табл. 4.1. Влияние каждого фактора различно для резонато-
ров разных типов и зависит от его интенсивности и других пара-
метров. Поэтому в таблице приведены некоторые средние цифры
для резонаторов, условно разделенных на три группы — низкой,
средней и высокой стабильности. При воздействии некоторых фак-
торов, например температуры и времени, изменения частоты суще-
ственно нелинейны, что следует иметь в виду при эксплуатации.
4.2
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Влияние температуры на частоту резонатора сложно и многообраз-
но и является предметом многочисленных теоретических и экспе-
риментальных исследований. Изменения температуры могут вы-
звать как обратимые, так и необратимые изменения частоты. Обра-
тимые изменения намного, обычно на несколько порядков, больше
необратимых, поэтому последние принимают во внимание только’
для резонаторов высокой стабильности.
Нестабильность частоты, обусловленная изменением температу-
ры порядка 50—100°С, для большинства типов резонаторов доста-
точно велика и составляет обычно (50—100)-10—е и только для
небольшого числа типов может не превышать (5—10) 10_6. По-
скольку зависимость частоты от температуры нелинейна, то для уз-
ких интервалов изменения температуры порядка нескольких граду-
сов или его долей нестабильность частоты может быть неболь-
шой — порядка 10-7. Основные усилия разработчиков и изготови-
телей резонаторов направлены на уменьшение температурной не-
стабильности частоты резонаторов, а потребителей — на изыскание
методов устранения влияния температуры на частоту.
Нестабильность частоты при изменении температуры в интерва-
ле от Ti до Т2°С определяют как относительное изменение частоты
Д/lfB, где А/ есть разность между наибольшим и наименьшим
fM значениями частоты, зафиксированными при изменении темпера-
туры от Г1 до Т2, a fH — номинальная частота резонатора: =
~ (f б /м) /Гн-
Влияние температуры
77
На рис. 4.1 показаны графическая зависимость частоты резона-
тора от температуры (ТЧХ), заданный интервал изменения послед-
ней и нестабильность частоты, обусловленная изменением темпера-
туры в заданном интервале.
Температурную нестабильность частоты оценивают температур-
ным коэффициентом частоты (ТКЧ) а/, представляющим отноше-
ние значения производной df/dT к частоте, где f=f(T) — функция,
описывающая зависимость частоты от температуры. Коэффициент
Рис. 4.1. Зависимость часто-
ты резонатора в заданном
интервале изменения темпе-
ратуры
а/ называют дифференциальным ТКЧ и используют для оценки не-
стабильности частоты при малых изменениях температуры, напри-
мер при колебаниях температуры термостатов.
Для оценки температурной нестабильности частоты резонато-
ров при изменениях температуры в широких пределах используют
другой параметр — средний ТКЧ (ТКЧср), представляющий тем-
пературную нестабильность частоты для определенного интервала
температуры, рассчитанную на один градус ее изменения:
ТКЧср = (/б-/м)//н(Г1-Г2),
где и Т2 — крайние значения температуры, определяющие задан-
ный интервал ее изменения; и fM — наибольшее и наименьшее
значения частоты, зафиксированные в заданном интервале.
При оценке температурной нестабильности резонаторов ТКЧср
следует пользоваться с известной осторожностью. Только для ре-
зонаторов, у которых частота является линейной функцией темпе-
ратуры, можно использовать ТКЧср для расчетов изменения часто-
ты. В других случаях применять его для точных расчетов нельзя.
Используя ТКЧср для оценки нестабильности резонаторов, следует
иметь в виду ширину интервала, для которого дано его значение.
Поэтому ТКЧср как параметр для оценки температурной неста-
бильности частоты резонаторов в настоящее время используется
редко и служит только в качестве справочного параметра для ори-
ентировочных и сравнительных оценок. Обычно предпочитают ис-
пользовать относительное изменение частоты в заданном интервале
температур.
Зависимость частоты от температуры определяется преимуще-
ственно свойствами кристаллического элемента. Однако и другие
элементы, например электроды, элементы крепления и кварцедер-
жателя, влияют .на ТЧХ в ряде случаев существенно. Кроме того,
ТЧХ зависят от электрической нагрузки резонатора.
78 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
Для одномерных колебаний, когда частота ПЭ может быть до-
статочно точно описана формулой
Л .—
/ = — /с7р,
bf
где k — некоторый постоянный коэффициент; bf — частотный раз-
мер ПЭ; р — плотность кварца, ас — упругий коэффициент (ко-
эффициент жесткости) для данного вида колебаний и ориентации
ПЭ, температурный коэффициент частоты может быть представлен
выражением
а/= 0,5 (ас — ар ) — аь, (4.1)
где ас, ар и аь — соответственно температурные коэффициенты
(ТК) упругости, плотности и линейного расширения в направлении
размера bf. Температурные коэффициенты линейного расширения и
особенно упругости существенно зависят от ориентации ПЭ; ТК
плотности кварца не зависит от ориентации и равен — 36,4X
Х10-61/°С. В зависимости от ориентации ТК линейного расширения
имеет значения от —14,3-10-6 до —6,8- 10~61/°С. В большинстве
случаев ТК упругости имеет значение около 100-10—61/°С, заметно
превосходя значения ар и а& и определяя в основном значение ТКЧ.
Для некоторых упругих коэффициентов их ТК могут изменяться в
зависимости от ориентации как по величине, так и по знаку, что
определяет возможности получения малого или нулевого ТКЧ по-
средством выбора соответствующей ориентации ПЭ. Как следует из
(4.1), условие равенства ТКЧ нулю есть
ас = ар +2аь. (4.2)
Поскольку ТК упругости и линейного расширения сами являют-
ся сложными функциями температуры, условие (4 2) выполняется
только при определенных значениях температуры Такова в общих
чертах весьма приближенная картина влияния физических парамет-
ров пьезоэлектрика и геометрических характеристик ПЭ на частоту
его колебаний. Если колебания не могут рассматриваться как одно-
мерные, зависимость ТКЧ существенно усложняется и определяется
ТК многих геометрических размеров и упругих коэффициентов ПЭ.
Размеры и материал электродов, проволочных держателей и доз
припоя, посредством которых последние присоединяются к ПЭ, то-
пология (расположение) мест их присоединения во многих случаях
существенно влияют на ТКЧ, и это влияние должно тщательно
учитываться как при разработке, так и при изготовлении резона-
торов.
Зависимости частоты от температуры (ТЧХ) резонаторов явля-
ются сложными функциями, их удобно представлять в виде сте-
пенной функции
/(7,) = ао + а1(7,о-7,) + аа(7,о-7,)2+аз(7,о—Л3+ ••• (4.3)
Здесь коэффициенты аь аг, а3 суть производные частоты по тем-
пературе соответствующих порядков, а То — некоторая постоянная
температура, выбор которой произволен. Предпочитают для То вы-
бирать значение, при котором а/ = 0. Для описания реальных ТЧХ
можно ограничиться первыми тремя членами ряда (4.3), а в некото-
Влияние температуры
79
рых случаях вполне достаточно и первых двух. У резонаторов с
большими значениями ТКЧср более 1010~61/°С ТЧХ имеют прак-
тически линейную зависимость: f(T)=a0+al(T0—Т), где ai числен-
но равен значению ТКЧср. Большинство типов резонаторов _с ма-
лым ТКЧ имеет ТЧХ, близкие по своей форме к квадратичной па-
раболе, и зависимость их частоты от температуры достаточно точно
описывается формулой
f (Т) — а2(Т0~Т)г. (4.4)
Квадратичный коэффициент а2 определяет крутизну параболи-
ческой ТЧХ, и его значение служит важным параметром, которые
используют для расчетов температурной нестабильности.
Рис. 4 2. Квадратичные ТЧХ резонаторов неко-
торых типов
Таблица 4.2
Значения квадратичного температурного коэффициента частоты
для резонаторов разных типов
Г ип резонатора Квадратичный коэффициент а2Х10», 1/(°С)2 Тип резонатора Квадратичный коэффициент л2Х10», 1/(°С)2 Тип резонатора Квадратичный коэффициент а,ХЮ«, 1/(°С)2
ХБ — (3,0—4,0) хт —3,0 ЕТ —6,5
ХВ —3,0 мт .—3,0 АП —2,0
НТ —4,5 дт —2,0 БТ -4 ,5
вп —2,5 ЦТ —6,0 РТ -(0,5-1)
Значения коэффициентов а2 Для резонаторов с квадратичными
ТЧХ приведены в табл. 4.2, на рис. 4.2 показаны квадратичные ТЧХ
наиболее употребительных типов резонаторов, а табл. 4.3 и графики
80 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
Таблица 4.3
Относительные изменения частоты
в зависимости от ширины интервала температур
для резонаторов с квадратичной ТЧХ
(для разных значений коэффициента аг)
Относительное изменение частоты X10* при изменении температуры
(А Т), °C, в интервале
10 20 30 40 50 60 70 80 100 120 140 160
6,5 0,13 0,5 1 ,1 2 ,0 3,2 4,5 6,1 8,0 12,5 18,0 24 ,5 32,0
1,0 0,25 1 ,0 2,3 4 ,0 6,3 9,0 12,3 16,0 25 ,0 36,0 49 ,0 64 ,0
1 ,5 0,38 1 ,5 3,34 6,0 9,5 13,5 18,5 27,0 37,5 54 ,0 73,5 96,0
2,0 0,5 2,0 4 ,5 8,0 Г2.5 18,0 24,6 32,0 50,0 72,0 98,0 128,0
2,5 0,63 2,5 5,6 10,0 15,8 22 ,51 30,8 40,0 62,0 90,0 122,5 160,0
3,0 0,75 3 ,0 6,8 12,0 18,9 27 ,0 36,9 48,0 75 ,0 108,0 147,0 192,0
3,5 0 ,88 3 ,5 7 ,9 14 ,0 22,0 31 ,5 43 ,0 56,0 87 ,5 126,0 171 ,5 234,0
4 ,0 1 ,0 4,0 9,0 16,0 25,0 36,0 49,2 64 ,0 100,0 144,0 196,0 256
4 ,5 1,12 4 ,5 10,7 18,0 28,3 40,5 55 ,4 72 ,0 113,0 162,0 220,0 288
5,0 1 ,25 5 ,0 11 ,3 20,0 30,15 45 ,0 60,5 80 ,0 125 ,0 180 0 245,0 320
6,0 1,5 6,0 13,5 24 ,0 37 ,8 54 ,0 73 ,5 96,0 150 ,0 216,0 294 ,0 384
7,0 1 ,75 7 ,0 15,8 28 ,0 44,1 63 ,0 85,8 112,0 175 ,0 252,0 343,0 448
8,0 2,0 8,0 18 ,0 32,0 50 ,0 72,0 98,0 128,0 200,0 288,0 392,0 512
10,0 2,5 10,0 22,5 40 ,0 62,5 90 ,0 122,5 160 ,0 250,0 360 ,0 490 ,0 640
на рис 4 3 предназначены для определения изменений частоты в
зависимости от значения а2 и величины интервала изменения тем-
пературы. Эти графики рассчитаны на полную симметрию ТЧХ и
расположение точки нулевого ТКЧ точно в середине интервала.
Поскольку резонаторы имеют разбросы То, составляющие от ±5 до
±10°С, при пользовании графиками следует увеличивать интервал
на величину этого разброса. Резонаторы некоторых типов, напри-
мер типа БТ, имеют ТЧХ, у" которых одна ветвь параболы заметно
Круче другой. Для таких резонаторов дают усредненное значение
коэффициента а2, а в некоторых случаях за его значение прини-
мают значение, рассчитанное по более крутой ветви. Для точных
расчетов иногда рекомендуют приводить значения а2 для обеих
Ветвей параболы, а положение То смещать от середины интервала
в сторону более крутой ветви с тем, чтобы значения частоты на
краях интервала были одинаковые [32]
Иногда резонаторы имеют ТЧХ, которые могут быть аппрокси-
мированы членами ряда, включающими член третьего порядка. Та-
кие (кубические) ТЧХ имеют резонаторы типов АТ, ИТ, ЖТ и
АП Для резонаторов типа АТ ТЧХ может определяться выраже-
нием, содержащим первый и третий члены ряда, поскольку член
а2 мал и его влиянием можно пренебречь:
f (Г) = ах (То - Т) + а3 (То - Т)\ (4.5)
Для практических расчетов удобнее пользоваться графиками,
изображающими ТЧХ.
В устройствах с нестабильностью частоты порядка 10~4—10~5
потребителю достаточно знать характер изменения частоты в задан-
ном интервале температур и общую нестабильность. Для резонато-
ров, предназначенных для точных и высокостабильных устройств,
Влияние быстрых изменении температуры на частоту
81
например для КГ с термокомпенсацией, такой характеристики ока-
зывается недостаточно. Например, для термостатированных резона-
торов обычно прилагают график ТЧХ или ряд измеренных через
1—2°С значений частоты вблизи температуры термостатирования.
Рис 43 Графики для определения изменений часто-
ты резонаторов с квадратичными ТЧХ различной кру-
тизны (для расположения точки Та в середине интер-
вала изменения температуры); цифрами указаны зна-
чения а2 • 10s
Для резонаторов, предназначенных для кварцевых генераторов с
термокомпенсацией, по согласованию с потребителем дают либо
графики, либо ряд измеренных значений частоты, включая экстре-
мальные
4.3
ВЛИЯНИЕ БЫСТРЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
НА ЧАСТОТУ
Описанные выше температурные закономерности справедливы для
относительно медленных изменений, меньших чем 1—2°С в минуту.
При быстром изменении (термоударе) наблюдается существенно
82 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
иной характер изменения частоты, объясняющийся другим механиз-
мом влияния. Причиной нестабильности частоты при этом являются
механические напряжения, возникающие в ПЭ. Опыт показывает,
что изменения частоты определяются выражением Af/f—A(dT/dt),
где A — коэффициент, зависящий от вида колебаний, формы, раз-
меров и ориентации ПЭ и других факторов, a dTfdt — производ-
ная, характеризующая скорость изменения температуры. Изменение
частоты при этом непостоянно и во времени экспоненциально умень-
шается, т. е. AfIf=A(dT/dt)e-*/*. Здесь т — постоянная времени,
характеризующая воздействие температурного удара.
При эксплуатации резонаторов в температурно-нестабильных
условиях необходимо учитывать изменения частоты, обусловленные
не только изменениями температуры, но и скоростью ее изменения.
Ниже будут более подробно рассмотрены явления нестабильности
частоты вследствие быстрых изменений температуры.
4.4
АНОМАЛИИ ЧАСТОТНО-ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
У правильно рассчитанных и изготовленных в точном соответствии
с расчетами резонаторов наблюдаются регулярные ТЧХ, достаточно
хорошо совпадающие с характеристиками, рассчитанными по (4.4)
и (4 5). Однако вследствие неточных либо ошибочных расчетов или
Рис. 4^.4. Аномальные темпера-
турные характеристики частоты
(/) и сопротивления (2) резона-
тора, обусловленные связями с
колебаниями других видов
в результате производственных ошибок на ТЧХ возникают резко
выраженные отклонения, искажающие типичную их форму. Эти ис-
кажения обычно наблюдаются в относительно узкой области тем-
ператур порядка 1—5°С. Иногда эти аномалии ТЧХ незначительны
и не вызывают отклонений частоты за пределы допуска, но нередко
они существенны и являются причиной недопустимо большой не-
стабильности частоты. Наиболее часто такие аномалии возникают
у резонаторов сдвиговых колебаний и реже — у низкочастотных ре-
зонаторов. У высокочастотных резонаторов причинами аномалий
ТЧХ являются связи (преимущественно механической природы) ра-
бочих колебаний с колебаниями других видов и близость частот
взаимодействующих колебаний. Обычно ТКЧ взаимодействующих
колебаний бывает намного больше, чем рабочих колебаний, что
объясняет относительно узкие интервалы температуры, в пределах
которых наблюдаются аномалии. Частотные ' аномалии сопровож-
даются аномалиями сопротивления при одних и тех же температу-
рах (рис. 4.4). При резко выраженных аномалиях, т. е. при связи с
Зависимость сопротивления резонаторов от температуры
83
интенсивными колебаниями, на ТЧХ появляются разрывы, харак-
терные для связанных колебаний («скачки» частоты). Если ано-
мальные изменения частоты остаются в пределах заданной темпера-
турной нестабильности и не отражаются на устойчивости колебаний
КГ, их считают допустимыми. Однако такие небольшие частотные
аномалии совершенно недопустимы для резонаторов, предназначен-
ных для термокомпенсированных КГ.
У низкочастотных резонаторов частотные аномалии возникают
не только в результате связей с побочными колебаниями ПЭ, но и
вследствие связи с колебаниями механических резонансных элемен-
тов, например стоек каркасов, связанных с ПЭ. В герметичных ре-
зонаторах наблюдаются температурные аномалии, обусловленные
изменениями давления и резонансными колебаниями воздуха внут-
ри оболочки резонатора.
4.5
ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗОНАТОРОВ
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
С точки зрения температурной зависимости сопротивления резона-
торы можно разделить на две группы. Для одной группы харак-
терна независимость или очень малая зависимость сопротивления от
температуры; для другой — характерен заметный рост сопротивле-
ния с повышением температуры. Первую группу составляют преиму-
щественно высокочастотные резонаторы толщинно-сдвиговых коле-
баний; вторую группу составляют резонаторы низкочастотных типов.
У правильно спроектированных и изготовленных резонаторов
сдвиговых колебаний сопротивление практически не изменяется от
температуры. Тем не менее у отдельных экземпляров вследствие
различных производственных отклонений наблюдаются аномальные
изменения (увеличение) сопротивления в узкой области температур,
составляющей иногда всего 1—5°С. Эти аномалии сопровождаются
аномальными изменениями частоты, искажающими типичный вид
ТЧХ, о чем было сказано вышёГ В некоторых случаях эти измене-
ния сопротивления относительно невелики и не представляют ка-
кой-либо опасности. Иногда же они значительны и характеризуются
многократным увеличением сопротивления, что может быть причи-
ной срыва колебаний КГ. Поскольку эти аномалии наблюдаются в
узком интервале температур, они мо^ут оказаться незамеченными,
если испытания резонаторов осуществляют только в отдельных точ-
ках рабочего интервала температур или при непрерывном, но бы-
стром изменении температуры, при котором изменения сопротивле-
ния сглаживаются.
Причины температурных аномалий сопротивления те же, что и
причины частотных аномалий, о которых речь шла выше, т. е. свя-
зи рабочих колебаний с побочными колебаниями ПЭ. В области
наиболее сильной связи вносимое сопротивление возрастает, увели-
чивая затухание рабочих колебаний. На рис. 4.4 показан характер
таких аномальных изменений сопротивления резонатора.
В технических условиях часто указывается величина наиболь-
шего допустимого значения сопротивления в предположении, что
это требование распространяется на весь диапазон рабочих темпе-
84 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
ратур. Вряд ли такую формулировку следует считать правильной^
поскольку она может допускать значительные аномальные измене-
ния сопротивления. В таких случаях лучше оговаривать допустимый
процент изменения сопротивления.
Для большинства типов низкочастотных резонаторов характер-
но увеличение сопротивления с ростом температуры. Такой харак-
тер температурной зависимости определяется влиянием крепления,
в частности припоя, используемого для крепления проволочных дер-
жателей и отводов к ПЭ. У большинства мягких припоев, особенно
содержащих в своем составе свинец, вязкое трение резко возрастает
с повышением температуры. Если крепление ПЭ осуществляется в
узловых точках смещений, соответствующих пучностям механиче-
Рис. 4.5. Типичные темпера-
турные характеристики со-
противления низкочастотных
резонаторов, иллюстрирую-
щие влияние состава при-
поя, использованного для
крепления ПЭ:
1 и 2 — припой ПОС-60; 3 и
4 — бессвинцовый припой
ских напряжений, влияние крепления на затухание колебаний осо-
бенно заметно, следовательно, и более выражена зависимость со-
противления от температуры. Влияние припоя на температурную
зависимость сопротивления уменьшают:
переносом мест крепления проволочных держателей в точки с
меньшими механическими напряжениями;
уменьшением доз припоя;
использованием припоев с возможно малыми потерями на внут-
реннее трение и малой зависимостью последних от температуры,
например бессвинцовистых.
У низкочастотных резонаторов температурные аномалии сопро-
тивления также имеют место вследствие взаимодействия рабочих
колебаний ПЭ с колебаниями других видов и с колебаниями присо-
единенных к нему деталей крепления и корпуса. В герметичных ре-
ТХ реактивных эквивалентных электрических параметров
85>
зонаторах иногда обнаруживаются аномалии, обусловленные воз-
никновением стоячих волн газа в оболочке резонатора.
Для оценки температурной зависимости обычно используют
средний температурный коэффициент сопротивления ’
-я;
где R"i и R'i — значения сопротивления Ri для крайних темпера-
тур Т2 и Ti; Rio — значение Ri при нормальной температуре.
Для некоторых типов резонаторов значения Ri для крайних
значений температуры различаются в 3—4 раза. При заказе резо-
наторов следует выяснить и уточнить зависимость сопротивления от
температуры, которую следует учитывать при расчете.
На рис. 4.5 приведены типичные ТХС низкочастотных резонато-
ров некоторых типов. Кривые нелинейны и характеризуются замет-
ным ростом сопротивления с температурой. •
4.6
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКТИВНЫХ
ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Параллельная емкость. Зависимость параллельной емкости от
температуры определяется температурными коэффициентами диэлек-
трической проницаемости кварца и материалов корпуса. Диэлектри-
ческая проницаемость кварца очень мало зависит от ориентации»
пластин, и ее ТК в пределах до 100°С невелик и в основном опре-
деляет характер температурной зависимости Со. Для вакуумных ре-
зонаторов в стеклянных баллонах температурная зависимость Со ли-
нейна и определяется ТК параллельной емкости, равным.
5-10-51/°С. Его значение зависит от конструкции резонатора и ти-
па ПЭ, иными словами, от соотношения емкостей ПЭ и корпуса и;
может отличаться от приведенного выше на ±25%.
Емкость и индуктивность. Ввиду того что частота многих типов
резонаторов относительно мало зависит от температуры и связана
соотношением (2.1) с эквивалентными параметрами, распространено,
мнение, что и температурные коэффициенты эквивалентных реак-
тивных параметров имеют тот же порядок значений, что и ТКЧ.
В действительности эти параметры изменяются от температуры во'
много раз больше, и их ТК на несколько порядков больше, чем.
ТКЧ. Это далеко не всегда принимается в расчет, поскольку дан-
ные о ТК индуктивности и емкости резонаторов в разного рода ру-
ководствах обычно отсутствуют и нередко разработчики резонато-
ров ими не располагают (33].
Для резонаторов с малым ТКЧ температурные коэффициенты
емкости и индуктивности противоположны по .знаку и близки по-
абсолютной величине, что определяет незначительные изменения ча-
стоты От температуры. Следует иметь в виду, что эти ТК оказы-
ваются на два—четыре порядка больше ТКЧ. Это обстоятельство
определяет изменение полосы пропускания кварцевых фильтров и
формы ТЧХ резонаторов от величины расстройки, т. е. от величины,
отклонения рабочей частоты генератора от частоты последовательно-
го резонанса. Температурные коэффициенты емкости и индуктивно-
86 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
сти в основном определяются срезом ПЭ и для большинства слу-м
чаев достаточно точно описываются зависимостями:
с,т = С10 [1 + тс1 (Г - 20) + ТС2 (Г - 20)=];
4-1Т = [1 + TLl (Г - 20) + TL2 (Т-20)=].
Отклонения реальных температурных характеристик емкости
индуктивности от указанных закономерностей,'имеющие обычно ха-
рактер пиков или провалов в относительно узкой области темпера-
тур, коррелируются с аномалиями (пиками и провалами) темпера-
турной характеристики сопротивления и частоты.
Значения коэффициентов Tci и Та для основных типов квар-
цевых резонаторов приведены в табл. 4.4. Основной вклад вносят
линейные члены и коэффициенты Tci и Т li- Для широкого интер-
вала температур (от —60 до + 100°С) квадратичные члены можно
не учитывать.
Если нагрузочная емкость кварцевого генератора имеет темпе-
ратурный коэффициент Тсн, то, пренебрегая небольшим ТК па-
раллельной емкости резонатора, отклонение частоты КГ от ее зна-
чения при 20°С можно рассчитать по формуле
Ft —fo fit — Ло £j.o Г ( / ,
Г * ~ТГо + 2(CH + CO) L1 + V ci -
019
Cho 4" Co
тс (T-20)
H J
Таблица 4.4
Температурные коэффициенты емкости резонаторов разных типов
Срез, форма пьезоэлемента, вид колебаний т хю*, 1/ос ТС2ХЮ’, 1/(°С)*
АТ, плоские ПЭ, сдвиг +2,4 +2,0
АТ, линзы двояковыпуклые, сдвиг + 1 ,3—2,2 + 1 ,0
СТ, плоские ПЭ, сдвиг —8,3 — 12,0
Y, плоские ПЭ, сдвиг —4,6 —8,5
Y, плосковыпуклая линза ИТ, плоские ПЭ —5,8 — 11 ,0
+4,0 +4,0
РТ, плоские ПЭ +2 ,7 + 2,0
ЦТ, прямоугольные ПЭ — 13,0 —24,0
ДТ, прямоугольные ПЭ — 1 ,о —3,0
ЖТ —0 ,5 — 10,0
XT (xys/+5°), прямоугольные ПЭ, колебания сжатия-растяжения —4 ,7 —8,7
ХВ (x(/s/+5°), изгибные колебания —4 ,8 — 10,0
ВП (ухЦ±45°), крутильные колебания —3,9 — 10,0
АП (yxl]—45°), колебания сдвига — 1 ,з —3,4
В приведенных выше выражениях приняты следующие обозна-
чения: С1т — значение емкости Ci .при температуре Т; Сю — значе-
ние емкости С] при нормальной (20°С) температуре; Та, Та, Тц
® Та — соответствующие температурные коэффициенты емкости и
«ндуктивности; fr и fir — значение частот (рабочей и fi) при тем-
Влияние времени (старение)
87
пературе Т; Сн и Сно — значения нагрузочной емкости при темпера-
турах Т и 20°С соответственно; Тсн—температурный коэффициент
емкости Сн.
4.7
ВЛИЯНИИ ВРЕМЕНИ (СТАРЕНИЕ)
Общие сведения. Явления изменения значений параметров,
резонаторов по истечении определенных отрезков времени, наблю-
дающиеся в процессе эксплуатации или хранения, называют старе-
нием. Обычно под старением резонаторов понимают явление изме-
нения их частоты как основного параметра, к стабильности которо-
го предъявляют наиболее жесткие требования. Из других парамет-
ров, наиболее подверженных изменениям с течением времени, яв-
ляются сопротивление и добротность. Другие параметры и харак-
теристики обычно меняются незначительно, и их изменения не при-
нимаются во внимание.
Частота. Частота резонаторов, если даже внешние воздейст-
вия неизменны, не остается постоянной и изменяется во времени,,
несмотря на то что заметных изменений конструктивного характе-
ра, например разгерметизации корпуса и т. д., не наблюдается. При
этом изменение частоты имеет асимптотический характер, т. е.
уменьшается с течением времени. Наступает момент, когда скорость,
изменения частоты достигает примерно постоянного значения, со-
храняющегося в течение всего последующего времени.
Изменения частоты резонаторов в первые месяцы после изго-
товления оказываются заметно больше, чем в последующее время,,
например через год после изготовления. Старение существенно за-
висит от внешних воздействий, особенно от температуры, и заметно-
возрастает с ее повышением. Характеристики старения или частот-
но-временные характеристики (ЧВХ) зависят от уровня возбужде-
ния, температуры и от характера и интенсивности других внешних
воздействий. Многочисленные исследования показали, что характе-
ристики старения в большинстве случаев хорошо описываются лога-
рифмической зависимостью
Д/// = Л1п/ — В. (4.6>
На характеристиках старения можно выделить две области:
начальную, характеризующуюся значительными изменениями часто-
ты, и установившуюся, для которой характерны заметно меньшие-
изменения частоты и постоянная скорость ее изменения. Начальная
область ЧВХ обычно определяется временем порядка нескольких
месяцев и может существенно различаться у резонаторов разных
типов величиной и характером изменения частоты. На рис. 4.6 по-
казаны наиболее типичные ЧВХ резонаторов, две из которых имеют
монотонный характер. Две другие характеризуются переменой зна-
ков изменений частоты, например, частота сначала может повышать-
ся, а затем понижаться или наоборот.
Старение — сложный процесс, обусловленный влиянием многих
конструктивных и технологических факторов, выделить из которых
в каждом случае определяющие ход ЧВХ трудно. Некоторые фак-
торы оказывают одинаковое влияние на частоту, другие же оказьь-
*88 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
дают противоположное, чем и объясняется различие знаков измене-
ния частоты. Очень малое старение отдельных резонаторов объяс-
няется компенсацией, обусловленной различными факторами, дейст-
вующими противоположно друг другу.
Рис. 4 6. Типичные характеристики старения (ЧВХ) резо-
наторов
1 и 2 — монотонные, 3 и 4 — знакопеременные
Потребителей может интересовать величина изменения частоты’
жак за все время эксплуатации или хранения, так и за отдельные
отрезки времени (месяц, год). Поэтому в технических условиях в
качестве характеристики старения могут указываться величины из-
менения частоты за весь срок эксплуатации или хранения (обычно
10—/12 лет) или величины установившейся скорости изменения ча-
стоты '(обычно определяемой за месячный или годичный срок).
При этом указывается также Изменение частоты за первый год
эксплуатации или /хранения
Суточное старение, достоверность определения которого неве-
лика, получают в результате испытаний за более длительный срок
и соответствующего пересчета. Суточное старение часто исполь-
зуют в рекламных целях для завышения характеристик резонато-
ров и приборов, в которых они применяются. Достоверные данные
о старении обычно получают за более долгие сроки — порядка ме-
сяца и года
Следует иметь в виду, что старение как параметр данного об-
разца точно никогда неизвестно, если не проводидось испытание
в течение длительного времени Изготовитель /может сообщить
только среднестатистическую величину старения, определенную в
результате испытаний контрольной партии резонаторов. В зависи-
мости от уровня производства на данном предприятии величины
старения могут различаться в несколько раз не только от партии
к партии, но и в пределах одной /партии. (Величины старения, ука-
зываемые в технических условиях, обычно близки к максимальным,
характерным для данного типа. Величины старения в зависимости
от типа резонаторов различаются весьма существенно — на нес-
колько порядков Для герметичных резонаторов с паяным соеди-
нением корпуса старение за 5—10 лет достигает значений —(35—
—50) -10-®, для вакуумных резонаторов широкого применения оно
Ж
Влияние времени (старение)
89«
примерно на порядок, а для прецизионных резонаторов — на два*
порядка меньше.
Потребитель часто сталкивается с тем обстоятельством, что
приводимые в разных источниках данные о старении резонаторов
того или иного типа оказываются существенно меньше тех, кото-
рые изготовители указывают в технических условиях. Это объяс-
няется тем, что в технических условиях устанавливают нормы,
близкие к .максимальным величинам старения, в то время как в
других источниках приводят либо средние величины, которые мень-
ше максимальных в несколько раз, либо фактические данные для
отдельных образцов.
Основными причинами старения являются:
изменение механических напряжений в ПЭ и связанных с ни-
ми элементах крепления;
работы при 40° С и нагрузке 0,5 мВт, 3 — в режиме хранения при
температуре 80° С; • 4 — в режиме работы при 80° С и нагрузке
0,3 мВт; 5 — в режиме работы при температуре 80° С и нягрузке
7 мВт
изменение массы ПЭ, обусловленное преимущественно явле-
ниями сорбции или десорбции газов поверхностью ПЭ или конден-
сацией на ней паров различных веществ или продуктов загряз-
нения;
структурные изменения материалов ПЭ и присоединенных к
нему элементов;
нарушения герметичности и (Изменения давления внутри обо-
лочки резонатора.
С повышением температуры процессы старения заметно уско-
ряются и возрастают. С увеличением мощности рассеяния старение
также возрастает. Особенно резко влияние этого фактора возра-
стает при мощностях, близких или превышающих предельно допу-
стимые. Старение, как показали соответствующие испытания, про-
90 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
веденные на разных предприятиях, заметно зависит от темлератур-
ного режима и режима нагрузки резонаторов Например, повыше-
ние температуры от нормальной до 80°С увеличивает старение
большинства резонаторов на порядок На рис 4 7 приведены ЧВХ
вакуумных резонаторов типа С на частоту 20 МГц, прошедших
испытания на старение в разных режимах, показывающие их влия-
ние Из рассмотрения кривых видно, что ЧВХ в режиме хра-
нения (при 20°С без электрической нагрузки) имеет другой знак,
чем ЧВХ в рабочем режиме или при хранении при повышенной
температуре Превышение допустимой мощности рассеяния резко
увеличивает старение, так же как и повышение температуры Сле-
дует отметить, что по другим данным [34] старение в режиме хране-
ния и при нормальном режиме работы происходит одинаково, в свя-
зи с чем испытания на старение рекомендуется проводить в режиме
хранения С повышением температуры первоначальный период из-
менения частоты заметно сокращается, в связи с чем испытания
на старение рекомендуется проводить при температуре 80—90°С
Считают, что испытания в течение 45 дней при таких температу-
рах эквивалентны годичному испытанию при нормальной темпе-
туре
Сопротивление и добротность Обычно с течением
времени наблюдаются увеличение сопротивления и соответствую-
щее уменьшение добротности Чаще всего изменения этих парамет-
ров обусловлены изменением давления внутри оболочки вследствие
нарушения герметичности Величины изменений невелики, порядка
нескольких процентов, но у некоторых типов резонаторов могут
достигать 100% и более
4.8
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ
Влажность оказывает не только весьма сильное воздействие на ча-
стоту и другие параметры пьезоэлемента, но может быть причиной
катастрофических отказов резонаторов Поэтому современные типы
резонаторов имеют герметичную, вакуум плотную оболочку (кор-
пус), надежно защищающую внутренний объем и расположенный
в нем ПЭ от проникновения и воздействия влаги Внутренний
объем оболочек заполняют либо сухим инертным газом или воз-
духом, либо создают внутри оболочки разрежение Эти мероприя-
тия должны, казалось бы, радикально исключить влияние влажно-
сти, однако не все конструкции корпусов обеспечивают нужную
герметичность, т е вакуум плотность Кроме того, влага внутри
корпуса резонатора может оказаться вследствие нарушений тех-
нологии при изготовлении резонатора Нарушение герметичности
в процессе эксплуатации может вызывать значительные необрати-
мые изменения частоты, аномалии температурных зависимостей ча-
стоты и сопротивления (активности) и, наконец, полный выход из
строя резонаторов Во влажной среде имеет место взаимодействие
влаги с электродными покрытиями и контактными соединениями
резонатора, вследствие коррозии и разрушения которых могут про-
исходить частичные или полные его отказы
Проверка герметичности партии резонаторов в корпусах типа
Б показала, что около 80%, т. е основная их масса, не обладают
Влияние влажности
91
вакуум плотностью, хотя и удовлетворяют требованиям на герме-
тичность, проверяемым «пузырьковым» методом Дальнейшие ис-
следования показали, что у вакуум-плотных резонаторов старение
в среднем в 3 раза меньше, чем у невакуум плотных
Механизм влияния влажности на частоту и другие параметры
резонатора объясняется поглощением влаги поверхностью ПЭ,
следовательно, увеличением массы и понижением частоты его ко-
лебаний Одновременно наблюдается и увеличение затухания Ко-
личество влаги, поглощаемое поверхностью ПЭ, зависит как от
степени влажности среды, так и от состояния поверхности ПЭ
11 Шлифованные, следовательно, достаточно шероховатые ПЭ обна-
руживают большую чувствительность к влажности, чем полирован-
ные, поверхности которых более гладкие Разного рода загрязне-
ния поверхности ПЭ также являются причиной повышенного вла-
гопоглощения В присутствии влаги могут происходить химические
процессы, например окисление, вызывающие необратимые измене-
ния частоты С изменением температуры изменяются относительная
влажность среды и влагопоглощение Поэтому во влажной среде
ТЧХ могут отличаться от ТЧХ в сухой среде При охлаждении
до температуры точки росы влага конденсируется на поверхности
ПЭ, в результате чего резко понижается частота и увеличивается
Затухание колебаний, что может быть причиной уменьшения ам-
плитуды или даже срыва колебаний КГ Изменения частоты при
этом могут намного превышать заданную норму После конденса-
ции влаги первоначальное значение частоты при нормальной тем-
пературе восстанавливается через некоторое время, иногда через
несколько часов или даже суток, пока внутри корпуса резонатора
не установится равновесное состояние Наличие влаги внутри кор-
пуса может быть одной из причин так называемого температурного
Гистерезиса, т е несовпадения ТЧХ, снятых при повышении и по-
нижении температуры
Герметичные резонаторы, например типов Б, М, У и др, при
длительной эксплуатации в условиях повышенной влажности еле
дует считать недостаточно надежными В условиях повышенной
влажности эти резонаторы следует располагать либо в герметичных
отсеках аппаратуры, либо в герметичных корпусах кварцевых
фильтров и генераторов Заметно повышает влагоустойчивость ре-
зонаторов обработка наружной поверхности корпусов анаэробными
полимерами Контроль герметичности только на наличие больших
течей «пузырьковым» методом недостаточен для резонаторов, дли-
тельно работающих в условиях повышенной влажности Заметное
влияние влажности внешней среды обычно проявляется при ее
воздействии через 30—60 суток Различные типы корпусов обна-
руживают при этом разную скорость проникновения влаги внутрь
корпуса Длительное воздействие влажности, по видимому, являет-
ся наиболее надежным и чувствительным методом проверки каче-
ства герметизации резонаторов Даже вакуумные резонаторы в
стеклянных колбах при длительном воздействии влаги (порядка
60 суток) обнаруживают заметные изменения частоты, превышаю-
щие нормы на старение, несмотря на то что заметных изменений
степени вакуума внутри колбы не наблюдается Для резонаторов,
используемых в аппаратуре ответственного назначения, требова-
ния к герметичности следует формулировать как вакуум-плотность
32 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
и использовать соответствующие методы ее проверки, например, с
помощью гелиевого течеискателя
4.9
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Частота пьезоэлемента зависит от давления окружающей его атмо-
сферы, влияние изменения которого не только заметно, но и зна-
чительно и с ним приходится считаться Пьезоэлемент, совершаю-
щий колебания в атмосфере, вызывает колебания и окружающего
его о<бъема газа При изменении давления изменяется и величина
«соколеблющейся» массы газа (совершающей колебания совместно
с ПЭ), что является причиной изменения частоты ПЭ Поскольку
Рис 4 8 Влияние воздушных стоячих волн на ТЧХ низко
частотного резонатора
/ — ТЧХ при удалении воздуха из корпуса резонатора
2 — ТЧХ при заполнении корпуса воздухом
колебания распространяются и рассеиваются в окружающей сре-
де, имеет место акустическое излучение и затухание колебаний ПЭ
возрастает Для уменьшения затухания и устранения влияния из-
менений давления на частоту из корпуса резонатора обычно эва-
куируют воздух Влияние давления газа на частоту и затухание
зависит от многих факторов от вида колебаний, размеров и фор-
мы ПЭ, частоты, а также от уровня затухания, определяемого дру-
гими причинами На частоту ПЭ изгибных, продольных и крутиль-
ных колебаний изменение давления оказывает большее влияние,
чем на частоту ПЭ сдвиговых колебаний Разрежение воздуха в
баллоне от нормального до ~10 Па вызывает изменение частоты
порядка J0-5—10-4 и на низких частотах даже порядка 10-3
В вакуумных резонаторах влияние давления исключается практи-
чески полностью В герметичных резонаторах влияние изменений
внешнего атмосферного давления исключается, однако давление
внутри корпуса зависит от температуры и оказывает влияние на
частоту резонатора
В герметичных резонаторах могут происходить нежелательные
явления, обусловленные отражениями воздушных волн от стенок
Влияние механических воздействий
93
баллона и возникновением стоячих волн При этом (наблюдаются
изменение затухания и нерегулярные изменения ЧТХ (рис 48)
Эти явления особенно заметны на низких частотах, примерно до
200 кГц Влияние возникновения воздушных стоячих волн можно
уменьшить, располагая грани ПЭ наклонно к стенкам баллона
4.10
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В процессе эксплуатации резонаторы могут "подвергаться различ-
ным механическим (силовым) воздействиям, имеющим импульсный
или периодический характер, а также характер сил, постоянных или
малоизменяющихся Механические воздействия классифицированы
по следующим видам [149] вибрации с частотами от 1 до 10 000 Гц
и ускорением до 40g, линейные ускорения до 500g, акустические
шумы со спектром частот от 50 до 10 000 Гц и уровнем звукового
давления до 170 дБ, удары, различающиеся формой импульса и
его длительностью
Параметры резонаторов, и прежде всего частота, изменяются
вследствие механических воздействий Кроме того, механические
воздействия вызывают появление на электродах резонатора элек-
трических зарядов и электрического напряжения (пьезо ЭДС), на-
зываемого также напряжением виброшумов Пьезо ЭДС, если ча-
стоты резонаторов существенно выше их частот, не доставляют
серьезных неприятностей вследствие избирательности самого резо-
натора, однако для резонаторов низких /(звуковых) частот с пьезо-
ЭДС приходится считаться Природа механических воздействий на
частоту резонатора различна Во первых, внешние силы могут вы-
зывать изменение жесткости присоединенных к кварцу элементов
крепления Такой механизм влияния характерен для низкочастот-
ных резонаторов, ПЭ которых крепят в узлах смещений, которым
соответствуют пучности напряжений Во вторых, влияние механи-
ческих воздействий может объясняться так называемым силовым
эффектом, в основе которого лежит нелинейность упругих свойств
кварца Силовой эффект явился предметом подробных исследова-
ний, в результате которых было обнаружено, что знаки Изменений
частоты зависят от направления силы, приложенной к кристаллу,
и меняются на обратные при ее изменении Изменения частоты
пропорциональны вызывающим ее силам и зависят от направле
ния силы относительно осей кристалла Действуя в разных направ-
лениях, сила может вызывать изменения частоты разных знаков и
различной величины Существуют направления, по которым дей-
ствие силы не вызывает изменений частоты (нулевой силовой эф-
фект), и, наоборот, имеются направления наибольшей сйловой чув-
ствительности Эти исследования позволили создать резонаторы с
высокой чувствительностью частоты к механическим воздейст-
виям — резонаторы-датчики механических величин [14]
Внешние механические воздействия могут быть причиной час-
тотной модуляции сигнала кварцевого генератора Величина моду
ляции пропорциональна интенсивности внешних воздействий (уско-
рению или уровню звукового давления) Механическую устойчи-
вость кварцевых резонаторов выражают через относительные изме-
нения частоты на единицу воздействия, например ускорения.
94 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
Изменения частоты в зависимости от интенсивности механиче-
ских воздействий могут носить как обратимый, так и необратимый
характер. В последнем случае 1изменения частоты обусловлены либо
остаточными деформациями системы крепления, вследствие кото-
ч рых изменяется жесткость присоединенных к кристаллу элементов,
либо возникновением остаточных механических напряжений в ПЭ.
Закон изменения обратимых изменений частоты соответствует
закону изменения интенсивности и частоты внешнего воздействия.
Величина обратимых изменений частоты зависит от направления
внешнего воздействия. Изменяя положение резонатора относитель-
но направления внешнего воздействия, можно определить направ-
ления минимальных и максимальных изменений частоты. При на-
личии достаточно чувствительной1 частотоизмерительной аппарату-
ры можно установить, что относительные изменения частоты резо-
натора имеют порядок 10~8—ilO—9 в зависимости от положения в
пространстве относительно направления силы земного тяготения.
При оценке влияния вибрационных нагрузок необходимо учи-
тывать резонансные свойства системы крепления ПЭ В зависимо-
сти от частоты внешнего воздействия и формы ударного импульса
изменения частоты резонатора могут'различаться на два и даже
на три порядка При воздействии вибраций и акустических шумов
при совпадении резонансной частоты конструкции с частотой внеш-
него воздействия обратимые изменения частоты возрастают в Q раз,
где Q — добротность системы крепления ПЭ, составляющая обычно
30—100. При длительности ударного импульса ти, при которой
Fpth=1, изменения частоты могут быть примерно в 2 раза боль-
ше, чем при ти, отвечающей соотношению Fpth>10, где Fp — ре-
зонансная частота конструкции крепления ПЭ Если изменения ча-
стоты резонатора в дорезонансной области составляют, как пра-
вило, (1—10)-10~9 \/g, то в резонансной области частот вибраций
относительные изменения частоты резонаторов достигают
(10-7—10-6)l/g.
Изменения частоты резонаторов при воздействии акустических
шумов при уровне звукового давления 130 дБ составляют
10~7—10-6. При изменении уровня звукового давления на 20 дБ
уходы частоты изменяются на порядок.
Чувствительности резонаторов а к разным видам механических
воздействий можно считать равными при условиях: аЛин = авиб при
авиб->0 и «лин—«ударн при ти-^оо. Поэтому достаточно знать ди-
намические характеристики системы крепления ПЭ и провести ис-
пытания для одного вида воздействий, например вибраций, чтобы
получить представление об устойчивости резонатора к другим ви-
дам механических воздействий
4.11
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ПРОЧНОСТЬ
РЕЗОНАТОРОВ
Проволочное крепление ПЭ большинства современных типов резо-
наторов определяет ограниченную, относительно невысокую меха-
ническую прочность Крепление ПЭ осуществляется посредством
небольшого числа тонких упругих проволок, припаянных к тонне
Механические воздействия и прочность резонаторов
95
металлическому покрытию ПЭ Наиболее слабым местом крепления
является место пайки к покрытию. Диаметр проволок обычно со-
ставляет 0,3—0,1 мм. Для увеличения прочности соединения про-
волок с ПЭ на их концах высаживают головку, подобную головке
гвоздя, что увеличивает площадь припайки до 0,3—0,6 мм2 и соот-
ветственно прочность соединения. Увеличение диаметра проволок и
головок ухудшает электрические характеристики и для повышения
прочности не может быть использовано.
Интенсивные механические импульсы (удары, толчки и т. д.)
случайного происхождения или возникающие в процессе эксплуата-
ции могут вызывать отрыв паяного соединения или, реже, обрыв
проволок. Если крепление не обрывается, то возникают остаточные
деформации элементов крепления (изгиб проволок, изменение фор-
мы паек), вызывающие значительные необратимые изменения ча-
стоты и увеличение затухания, часто превышающие пределы уста-
новленных допусков.
Периодические механические воздействия (вибрации и много-
кратные удары) могут быть также причиной разрушения крепле-
ния, однако несколько иного характера. Обычно , обрывы проволок
происходят в местах их соединения с кварцедержателем (стойка-
ми или консолями). Обрывы происходят после длительных воздей-
ствий в местах наибольших механических напряжений и носят
усталостный характер. 'Большинство типов резонаторов способно
выдерживать 'Однократные удары интенсивностью 100——150g, а не-
которые типы — до 1000g
Механическая прочность низкочастотных резонаторов с массив-
ными ПЭ обычно заметно ниже прочности высокочастотных, масса
ПЭ которых намного меньше, а жесткость системы крепления и
прочность соединения ПЭ с держателями больше.
Потребителям всегда следует учитывать ограниченную механи-
ческую прочность резонаторов, стараться не допускать случайных
интенсивных механических воздействий при установке, испытаниях
аппаратуры и ее эксплуатации. При жестких условиях эксплуата-
ции в подвижной аппаратуре желательно использовать амортизи-
рующее крепление, а в аппаратуре, подвергающейся вибрациям, не
следует осуществлять крепление к недостаточно жестким элемен-
там конструкции, частоты собственных колебаний которых могут
оказаться в диапазоне частот внешних вибраций. Потребителям
полезно выяснить у изготовителей частоты собственных колебаний
системы крепления ПЭ резонаторов, если последние используются
в аппаратуре, подвергающейся вибрациям. Изготовители не всегда
могут сообщить такие сведения, однако они легко могут быть по-
лучены и потребителями в результате соответствующих испытаний.
Следует иметь в виду, что ресурс прочности к вибрационным воз-
действиям у резонаторов многих типов невелик, поэтому резона-
торы не следует без необходимости подвергать длительным испы-
таниям на вибрации. Недопустимы длительные воздействия вибра-
ций на частотах, близких к частотам собственных колебаний си-
стемы крепления ПЭ, так как в этих случаях резонаторы могут
относительно быстро выйти из строя или в значительной мере из-
расходовать ресурс прочности. Анализ отказов резонаторов у пот-
ребителей показывает, что причинами в 90% случаев является не-
осторожное обращение в процессе производства, при монтаже ре-
96 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
зонаторов или разного рода .испытаниях .приборов. Потребители
должны подробно инструктировать производственный персонал о
необходимости осторожного обращения с резонаторами.
4.12
ВОЗДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Проблемы стабильности кварцевых резонаторов в условиях воздей-
ствия радиационных издучений приобретают в последнее время
большое значение. Поля радиационных излучений в местах распо-
ложения радиотехнической аппаратуры, в которой используются
кварцевые резонаторы, могут возникать вблизи ядерных энергетиче-
ских установок, на борту космических аппаратов, в зоне ядерного
взрыва и т. д.
Рис. 4 9. Область изменений часто-
ты кварцевых пластин АТ среза при
облучении рентгеновскими лучами
при
Рис 4 10 Воздействие электронной
(1) и рентгеновской (2) радиации
на частоту кварцевых пластин АТ
среза
Радиационные излучения различаются как по составу частиц —
нейтроны, протоны, электроны, бета-, альфа-частицы, — так и по
энергетическому спектру, плотности потоков, длительности воздей-
ствия. При воздействии на кристаллические вещества, в частности
на пьезокварц, различных излучений существенно' изменяются мно-
гие физические свойства. Так, после облучения кварца быстрыми
нейтронами при плотности потока 2,2-109 1/см2 пьезомодуль du
уменьшился на 17%, .плотность снизилась на 0,18%, упругие моду-
ли изменились в пределах от 0,9 до 1,7% [35]. Характер изме-
нения упругих модулей оказался различным: одни из модулей
уменьшились, другие — возросли. Изменения физических свойств
материала под влиянием излучения приводят к изменению частоты
и других параметров кварцевых резонаторов. Воздействие рентге-
новских и гамма-лучей в энергетическом диапазоне 100—'1000 кэВ
уменьшает частоту кварцевых пластин срезов АТ и ДТ. Зависи-
мость изменения частоты ст дозы облучения для естественного
кварца имеет экспоненциальный характер, и рис. 4.9 иллюстрирует
результаты рентгеновского облучения кварцевых пластин АТ среза
[36]. Сравнение воздействия рентгеновских и гамма-лучей, с одной
стороны, и электронов различных энергий, с другой, на частоту
резонаторов показывает идентичность этих воздействих при дозах
примерно 2-106 рад. Это видно из сравнения результатов воздей-
ствия рентгеновских лучей с £=400 кэВ и электронов с £=27 МэВ
Воздействие радиационных излучений
97
на частоту кварцевые резонаторов (рис. 4.10) Аналогичный резуль-
тат получен для гамма-лучей .и электронов с E—Q7 МэВ 137] Воз
действие тяжелых заряженных частиц на кварцевые пластины, кро
Рис 4 11 Воздействие протонов с
энергией £ = Ь.З МэВ 4/) и а-частиц
с энергией £=25 МэВ (2) на часто-
ту резонаторов АТ
Рис 4 12 Влияние ядерного излуче-
ния на частоту резонаторов в зави-
симости от \ гла сре?а ПЭ Р
ме Ионизационных эффектов, по-видимюму, вызывает и нарушения
в структуре кристаллической решетки Это предположение подтвер-
ждается результатами эксперимента, .изображенного на рис. 4.11.
Воздействие альфа-частиц изменяет частоту кварцевых пластин в
4—5 раз больше, чем воздействие
чем рентгеновских лучей
Исследования резонаторов БТ
среза показали, что при облучении
пластин в реакторе частота коле-
баний снижается Так, при дозе
16 000 МВт-ч изменение частоты
составило 0,7% [38].
Имея в виду указанный харак-
тер изменения частоты резонато-
ров АТ и БТ срезов при облучении
в реакторе, Фрезер и Кинг [39]
предприняли поиск резонаторов с
такой ориентацией, которые, буду-
чи облучены в реакторе, обнару-
живали бы незначительное изме-
нение частоты Измерения резо-
нансной частоты до и после облу-
чения в реакторе проводились при
0°С на кристаллах из природного
кварца повернутых У-срезов (угол
поворота р менялся в пределах от
протонов, и в 7—20 раз больше,
Рис. 4 13 Влияние облучения по-
током а-частиц (£ = 25 МэВ) при
поглощенной дозе 4 • 108 рад па
ТЧХ резонаторов типа АТ
1 — ТЧХ до облучения; 2 — пос-
ле облучения
98
Влияние внешних воздействии на параметры резонаторов
— 59 до 4-52°) На рис 4 12 приведена зависимость изменений часто
гы после облучения от угла поворота 0, из которой видно что при
0=—8° и 0=4-50° изменения частоты минимальны (40]
Изучение влияния радиационного излучения на ТЧХ резонато
ров свидетельствует о том что кварцевые птастины, вырезанные
из естественного кварца, не изменяют ТЧХ в процессе рентгенов
ского облучения вплоть до доз около 2 106 рад В то же время
воздействие альфа частиц заметно изменяет ТЧХ кварцевых плас
тин (рис 4 13)
4.13
ВОЗДЕЙСТВИЕ УРОВНЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
(МОЩНОСТИ РАССЕЯНИЯ)
Частота и другие параметры резонатора например сопротив 1ение,
существенно зависят от ветичины приложенного к ПЭ напряжения
По зтой причине изменения возбуждающего напряжения вызывают
изменения частоты, которые в большинстве стучаев необходимо учи
тывать До определеного уровня увеличение напряжения вызывает
обратимые изменения частоты и сопротивления, выше же некото
рого уровня наблюдаются необратимые их изменения, при дальней
шем увеличении уровня возбуждения могут произойти изменения
частоты и сопротивления за пределы допусков и наконец, разру
шение резонатора Поэтому величину возбуждающего резонатор
напряжения стедует рассматривать как дестабилизирующий фак
тор
Как и всякий электрический элемент, кварцевый резонатор спо
собен выдерживать определенную электрическую нагрузку, суще
ственно не изменяя своих основных параметров или не разрушаясь
Эту предельную электрическую нагрузку характеризует величина
рассеиваемой резонатором электрической мощности или величина
электрического тока через резонатор Распространено мнение, что
причиной выхода из строя резонатора являются процессы, обуслов
ленные потерями и выделением определенной активной мощности
на пьезоэлементе В действительности же причиной выхода резо
натора из строя оказываются величина или уровень реактивной
мощности, которую способен выдерживать ПЭ
Изучение характера дефектов, возникающих в резонаторах при
воздействии чрезмерной электрической нагрузки, позволяет выде
ли4ь три их основных вида разрушение кристаллического элемен
та, нарушение целостности элементов крепления, чаще всего пая
ных соединений или возникновение в них остаточных деформаций
или дефектов структуры, возникновение механических повреждений
и структурных изменений в поверхностном слое ПЭ, нарушение
структуры или разрушение электродных покрытий
Такого рода дефекты, возникающие при больших электрических
нагрузках, свидетелвствуют об их механической природе Дефекты
первых двух видов характерны для низкочастотных типов резона-
торов, в то время как дефекты последнего вида наблюдаются прей
мужественно у высокочастотных резонаторов Разрушение ПЭ
происходит всегда в пучностях механических напряжений (дефор-
маций), которым в низкочастотных ПЭ часто соответствуют узлы
Воздействие уровня возбуждения
99
смещений, При резонансных колебаниях механические напряжения
в пучностях, особенно когда добротность велика могут достигать
значении превышающих предел прочности кристалла результатом
чего и является его разрушение Если элементы крепления присое
динены к ПЭ в пучностях механических напряжений как почти у
всех низкочастотных резонаторов они естественно подвергаются
столь же интенсивным механическим нагрузкам в результате ко
торых в них сначала возникают остаточные деформации а затем
наступает их разрушение
Увеличение электрической нагрузки на резонатор сопровож
лается изменением (понижением) частоты сначала незначительным,
а затем все более интенсивным Начиная с некоторого уровня эти
изменения приобретают необратимый характер такие уровни воз
буждения недопустимы Предельно допустимый уровень устанав
ливают обычно в 3 раза более низким Необратимые изменения
частоты обычно сопровождаются необратимыми изменениями со
противления которое резко увеличивается В таких случаях дело
до разрушения ПЭ не доходит и ограничивается порчей элементов
крепления — возникновением дефектов в паяных соединениях Пе
репайкой этих соединений можно восстановить первоначальные зна
чения сопротивления
На высоких частотах мсханизул воздействия больших электри
ческих нагрузок более сложный Возникают не только дефекты в
кристалле в виде небольших трещин преимущественно в направте
нии спайности кристалла но и поверхностные дефекты обнару
живаемые в виде отслоения электродных покрытии При интенсив
ных механических колебаниях ускорения на некоторых участках
поверхности достигают весьма значительных значений — многих ты
сяч ^ — следствием чего является разрушение электродных покры
тий На высоких частотах чисто механические воздействия допол
няются еще и тепловыми, и повышенные нагрузки сопровождаются
изменениями частоты определяемыми характером ТЧ£ Нагрев ПЭ
может достигать нескольких десятков градусов
Резонаторы более активные, более добротные более чувстви-
тельны к уровню возбуждения и невозвратимые изменения пара
метров в них происходят при более низких уровнях электрической
нагрузки поскольку механические напряжения при резонансных ко
лебаниях пропорциональны добротности
Наиболее чувствительны к уровню возбуждения резонаторы из
гибных колебаний Обычно предельный уровень возбуждения огра-
ничивают величиной 0 1 МВт Практика показывает что для резо
наторов с добротностью более 300—500 тыс эту величину следует
снижать в 2—5 раз Для резонаторов этого типа характерна за-
метная зависимость сопротивления от амплитуды колебаний что
может быть причиной неустойчивой работы КГ Крепление ПЭ из
гибных колебаний осуществляется в узлах напряжений, поэтому
ограничивающего действия при перегрузках элементы крепления
не оказывает, принимая долю механической нагрузки на себя,
вследствие чего перегрузки приводят к разрушению ПЭ
Для резонаторов разных видов колебаний установлены следу-
ющие предельно допустимые уровни (табл 4 5)
При больших уровнях возбуждения в вакуумных резонаторах
может наблюдаться ионизация разреженного газа, являющаяся при-
4*
100 Влияние внешних воздействий на параметры резонаторов
чиной необратимых изменений параметров и даже окончательного
выхода резонаторов из строя Ионизированные частицы газа обла
дающие высокой энергией, воздействуют на ПЭ и вызывают эро
зию его поверхности, в первую очередь этектродного покрытия
встедствие чего возникают необратимые изменения частоты При
дщтельном воздействии, наблюдаемом в виде свечения газа вбтизи
этектродов, могут произойти разрушение этектродов и окончитеть
чая порча резонатора
Таблица 4 >
Максимально допустимая мощность рассеяния
на резонаторе
Вид колебаний Частота, кГц Мощность, мВт
Пзгибные 1-100 0,1
Крутильные 30—800 1 ,0
Продольные 50—200 1 ,0
Сдвиговые (контурные) 200—1 000 1 ,0
Сдвиговые (толщинные) 400 — 100 000 2,0
Большие уровни возбуждения МОГУТ быть причиной и других
нежелательных явлений, известных как «.проваты активности» На
рис 4 14 изображены температурные зависимости сопротивления
резонатора при различных уровнях возбуждения Начиная с неко
торого уровня, на кривой зависимости сопротивления возникают
характерные пики в относитетьно узких пределах изменения тем
перату ры Соответственно и на ТЧХ возникают отклонения, иска
жающие ее регулярный характер В составе спектра частот при
этом возникают побочные резонансы, исчезающие при снижении
уровня возбуждения ниже некоторого уровня Природа этих явле-
ний объясняется нелинейностью упругих свойств кристалла и па
раметрическими взаимодействиями, чему способствует сложность
частотного спектра ПЭ Поэтому потребителям следует иметь в
виду возможности возникновения таких явлений при эксплуатации
резонаторов в режиме повышенной мощности
Так называемые токовые характеристики, т е зависимость
частоты от величины тока через резонатор, являются существенно
важными Эти характеристики зависят от типа среза, размеров и
формы ПЭ, моды возбуждаемых колебаний и от некоторых кон-
структивных и технологических факторов Типовые токовые харак
теристики, к сожалению, изготовители имеют только для прецизион
ных резонаторов, и потребителям при необходимости приходится
выяснять и устанавливать их характер своими силами
На рис 4 15 приведены токовые характеристики резонаторов
разных типов Для низкочастотных резонаторов изгибных, крутиль-
ных, продольных и контурных колебаний зависимость изменения
частоты от тока имеет приблизительно квадратичный характер, и
частота с увеличением тока понижается Для резонаторов среза АТ
Воздействие уровня возбуждения
101
и двухповоротных срезов, являющихся модификациями АТ среза,
токовые характеристики также квадратичны, но частота с ростом
тока повышается, однако при возбуждении «гармонических» обер-
тонов иногда наблюдается и отрицательный ход зависимости изме-
нений частоты У резонаторов срезов БТ и РТ частота с ростом
тока 'понижается На’ низких частотах токовые характеристики с}
щественно определяются месторасположением элементов крепления,
количеством и качеством припоя, используемого для их присоеди-
Рис 4 14 Влияние мощности рассея
ния на температурную зависимость
сопротивления резонатора
Рио 4 15 Зависимость часто-
ты от величины тока через
резонатор
нения,. (При описании конкретных типов резонаторов ниже приве-
дены токовые характеристики, которые необходимо учитывать при
испо.гьзовации резонаторов в высокостабильных КГ.
Если влияние уровня возбуждения на частоту характеризуется
величинами порядка 10~7—10~4, то влияние его на сопротивление
резонатора намного больше При уровнях возбуждения, близких к
предельным, сопротивление нередко увеличивается вдвое и даже
на порядок [41] При работе в режиме высокого уровня возбужде-
ния увеличение сопротивления может вызывать неустойчивую рабо-
ту КГ, например низкочастотную релаксацию или возбуждение на
частоте побочного резонанса
При мощности рассеяния порядка 1 мВт изменение уровня воз-
буждения на 10% обычно вызывает изменение частоты резонатора
среза АТ порядка 10-6
102
Производство кварцевых резонаторов
5.
Производство кварцевых резонаторов
5.1
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Кварцевые резонаторы производятся на спеши а лизированных пред-
приятиях .или в специализированных цехах предприятий потребите-
лей резонаторов. Специализированные предприятия выпускают, как
правило, резонаторы ограниченной номенклатуры и небольшого
числа конструктивных типов, что позволяет создать механизиро-
ванное’, крупносерийное производство с поточными линиями сборки
и автоматизацией контроля параметров. Одновременно эти пред-
приятия обеспечивают производство кварцевых заготовок и плас-
тин, корпусов и других деталей для мелкосерийных предприятий
и кварцевых цехов /Поскольку кварцевые резонаторы являются
элементами частного применения, подобная организация производ-
ства является рациональной.
Производство кварцевых резонаторор существенно отличается
от производства других ЭРА. Для него типичны:
мелкосерийный, подчас индивидуальный характер;
большое число и разнообразие производственных операций и,
как следствие, длительность цикла изготовления;
сравнительно невысокий уровень автоматизации и механизации
и наличие большого числа ручных операций, особенно на конечных
операциях;
наличие различных по характеру и составу оборудования тех-
нологических участков;
большая тщательность и высокая точность механической обра-
ботки деталей;
большое число и объем операций контроля, испытаний и изме-
рений, а также высокая точность последних;
наличие сложного, преимущественно специального оборудова-
ния и инструмента;
'Требования чистоты производства, граничащие с требованиями
гигиены оптического и вакуумного производства;
наличие кадров рабочих и инженерно-технических работников,
специально подготовленных для кварцевого производства.
Кварцевое производство характеризуется наличием участков,
резко отличающихся по составу оборудования и характеру техно-
логических процессов. Это — участки разрезки кристаллов кварца
на заготовки, механической обработки (шлифовки и полировки) за-
готовок; химический участок, на котором осуществляются опера-
ции очистки, травления кварцевых пластин и химических процес-
сов их металлизации; участок вакуумной металлизации; монтаж-
ный участок; участок настройки, испытаний и проверки электриче-
ских параметров"; участок ’герметизации, включающий стеклодув-
ный участок для вакуумных резонаторов.
Сырье для производства резонаторов
103
Число операций изготовления, контроля, испытаний и измере-
ний параметров резонаторов значительно и достигает 20 и более,
что определяет длительность цикла изготовления. (Последний в за-
висимости от требований колеблется от двух до четырех недель.
Учитывая, что для подтверждения гарантий стабильности частоты
цикл изготовления может включать длительные выдержки и тре-
нировки резонаторов перед приемо-сдаточными испытаниями, вре-
мя изготовления может существенно возрастать против указанно-
го выше.
5.2
СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РЕЗОНАТОРОВ
Основным сырьем для изготовления резонаторов служат однород-
ные кристаллы кварца, лишенные каких-либо дефектов в виде тре-
щин, включений и дефектов строения (двойников, свилей) и пр.
Кристаллы должны (быть достаточны по размерам, позволяя выре-
зать из них заготовки требуемых размеров и ориентации. Кристал-
лы, пригодные для изготовления резонаторов, называют пьезоквар-
цем Ранее сырьем служили исключительно природные кристаллы
кварца. Природный пьезокварц являлся весьма .редким и дорогим
минеральным сырьем. Его месторождения имеются в небольшом
числе стран. Потребности в пьезокварце росли из года в год и не
покрывались природными ресурсами Это обстоятельство в свое
время вызвало меры по ограничению использования кварцевых ре-
зонаторов и экономному использованию пьезокварца. Одновремен-
но велись изыскания и исследования кристаллов и .материалов, спо-
собных заменить пьезокварц, а также, разработка способов искус-
ственного его выращивания. Эти задачи удалось успешно решить;
были разработаны способы выращивания кристаллов виннокислого
калия (КВ) — пьезоэлектрика, обладающего сильными пьезоэлек-
трическими свойствами. Резонаторы из кристаллов КВ оказались
по своим параметрам близкими к кварцевым, а по некоторым пока-
зателям ((большая ширина р'езонансной кривой) и превосходили
последние. Резонаторы из кристаллов КВ позволили с успехом за-
менить кварцевые резонаторы на низкие частоты в аппаратуре
многоканальной связи.
Успешное решение задачи искусственного выращивания крис-
таллов кварца и организация промышленного их производства поз-
волили устранить ограничения по .применению кварцевых резонато-
ров и обеспечить производство кварцевым сырьем в нужном коли-
честве и существенно снизить его стоимость.
В настоящее время для производства резонаторов используют
преимущественно искусственное кварцевое сырье, качество которо-
го не уступает природному. Искусственные кристаллы имеют поч-
ти одинаковые размеры и форму, практически не имеют таких
внутренних дефектов, как двюйники. Это облегчает их .обработку,
поскольку отпадает ряд дополнительных операций, которым под-
вергаются кристаллы природного кварца.
104
Производство кварцевых резонаторов
5.3
РАЗДЕЛКА КРИСТАЛЛОВ КВАРЦА
Кристаллы .разрезают на блоки и заготовки на специальных стан-
ках алмазным режущим инструментом (пилами) Эти станки, сход-
ные по своему устройству с фрезерными, имеют суппорты для
крепления кристаллов, позволяющие точно устанавливать их гра-
ни по отношению к плоскости распила. Станки имеют ручную или
автоматическую подачу. Существуют более производительные мо-
дели станков с многими режущими пилами. Высокая точность при
распиловке заготовок и сокращение отходов кристалла вследствие
уменьшения толщины пропилов достигаются на станках, имеющих
инструмент с внутренней режущей кромкой. Резка кристаллов
производится при интенсивном жидкостном охлаждении.
5.4
ОРИЕНТАЦИЯ ЗАГОТОВОК
Вырезанные заготовки должны иметь определенную, притом весь-
ма точную ориентацию граней по отношению к кристаллофизиче-
ским осям кварца Эта точность составляет около 10 угл. мин и
в некоторых случаях достигает 1 мин. Контроль угловой ориента-
ции заготовок или, как говорят, углов среза осуществляют на спе-
циальных установках — рентген огоаиометр ах, позволяющих изме-
рять эти углы с точностью долей минуты. Поэтому резка кристал-
лов обязательно сопровождается контролем углов среза заготовок
и при необходимости коррекцией плоскости среза соответствующим
поворотом суппорта После разрезки кристалла на заготовки изме-
ряют углы среза последних, производят сортировку и заготовки,
углы среза которых выходят за пределы допуска, подвергают соот-
ветствующей подшлифовке. Существует несколько способов исправ-
ления углов среза заготовок как ручных, так и станочных [4].
5.5
ШЛИФОВКА КВАРЦЕВЫХ ПЛАСТИН
Заготовки пластин поступают на участок шлифовки, где произво-
дится дальнейшая их обработка с целью придания им окончатель-
ных формы и размеров, а также и нужной чистоты обработки по-
верхностей Форма и размеры пластины определяют (при соблюде-
нии точности ориентации) частоту и другие электрические харак-
теристики, а чистота обработки — уровень потерь при колебаниях
и стабильность частоты во времени. Чистота обработки в самом
худшем случае классифицируется классом 9, достигая для высо-
костабильных и высокочастотных резонаторов 13—14 классов
Шлифовка пластин осуществляется свободным (порошкообразным)
абразивом Иногда используется шлифовка связанным абразивом
(алмазными кругами) на обычных шлифовальных станках для об-
работки металлов. Шлифовка связанным абразивом использует-
ся на первых операциях более грубой обработки. Шлифовка осу-
ществляется в несколько переходов с последовательной сменой ве-
личины абразивного зерна Для шлифовки кварцевых линз исполь
зуют специальные станки с трубчатым алмазным инструментом.
Очистка и травление кварцевых пластин
105
Для шлифовки кварца в качестве абразива используют порошки
карбида бора, карборунда и корунда. Шлифовку производят в
три-четыре перехода, заканчивая ее шлифовкой абразивом с вели-
чиной зерна от 14 до 5 мкм. Для высокостабильных и высокочас-
тотных резонаторов требуется еще более тонкая обработка — шли-
фовка порошком с зерном 3 мкм или полировка. Для высокочас-
тотных пластин необходимо достигйуть не только высокой точно-
сти раз.меров, определяющих чистоту, но и плоскопараллельности
сторон порядка 1 мкм или его долей При каждом переходе шли-
фовка данным абразивом должна удалить следы предыдущей бо-
лее грубой обработки, и только выполнение этого требования обес-
печивает нужные добротность и стабильность частоты резонато-
ра [6—8].
В кварцевом производстве с успехом используются как типо-
вое оптическое оборудование для обработки стекла, так и специ-
ально разработанные' шлифовальные и полировальные станки для
односторонней и двусторонней .обработки, учитывающие особен-
ности обработки кварцевых пластин. Преимущественно использует-
ся оборудование для двусторонней шлифовки и полировки кварце-
вых пластин, более производительное, обеспечивающее плоскопа-
раллельность и позволяющее контролировать частоту в процессе
обработки. Точности обычных |измерительных инструментов для
контроля линейных размеров пластин в большинстве случаев ока-
зывается недостаточно, и на окончательных операциях обработки
контроль осуществляется непосредственным измерением частоты
пластин. Для этого периодически измеряют частоту одной или нес-
кольких пластин, прерывая процесс шлифовки, или осуществляют
непрерывный контроль частоты в процессе шлифовки. Шлифовка
пластин должна быть закончена так, чтобы частота их находилась
в пределах определенного достаточно жесткого допуска.
5.6
ОЧИСТКА И ТРАВЛЕНИЕ КВАРЦЕВЫХ ПЛАСТИН
После шлифовки производят очистку пластин промывкой и трав-
лением в плавиковой кислоте. Травлением удаляют остатки продук-
тов обработки и снимают трещиноватый и нарушенный процесса-
ми шлифовки поверхностный слой. Пластины затем подвергают
прокаливанию при температуре около 450°С и медленному охлаж-
дению с целью уменьшения механических напряжений в поверхно-
стном слое Для очистки широко используют ультразвуковые моеч-
ные установки Моющие жидкости — вода, органические жидкости,
кислоты и щелочи Качество очистки пластин существенно опреде-
ляет характеристики стабильности частоты резонаторов. Практи-
куется также очистка пластин деионизированной водой Величина
сопротивления деионизированной воды после промывки является
объективным критерием качества очистки кристаллических элемен-
тов Перед вакуумной металлизацией нередко осуществляют очист-
ку пластин ионной бомбардировкой. Травление кварцевых пластин
в плавиковой кислоте или других травителях (раствор бифторида
аммония) используют не только для очистки и соответствующей
обработки поверхности, но и для подгонки их частоты.
106
Производство кварцевых резонаторов
Пластины травят в ванне с плавиковой кислотой^ периодически
контролируя частоту и прекращая процесс, когда частота окажет-
ся в пределах нужного допуска. Иногда осуществляют травление
партии пластин по времени с последующей сортировкой пластин
по частоте на группы Это позволяет значительно упростить опе-
рацию травления, сократить цикл изготовления резонаторов, но
металлизация будет происходить с разными припусками Разраба-
тываются методы ионного травления кварцевых пластин, позволя-
ющие получать пластины толщиной до 10 мим с толстым ободком
по краю, что увеличивает прочность пластин и облегчает обраще-
ние с ними. Травление производится бомбардировкой пучком ио-
нов аргона или другого газа при 7000 В. Скорость травления —
около 2 мкм/ч В промежутках между циклами обработки частоту
пластин контролируют при помощи электронного зонда.
5.7
МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ
Протравленные, тщательно очищенные от возможных загрязнений
пластины поступают на участок металлических покрытий. Элек-
тродные .покрытия наносят на кварцевые пластины различными
методами На низкочастотные ПЭ наносят никелевые покрытия хи-
мическим способом. Для повышения адгезии покрытия никелиро-
ванные пластины подвергают отжигу в вакууме при температуре
около 400°С [42].
На высокочастотные ПЭ перед нанесением электродных покры-
тий наносят контактные площадки, к которым, присоединяются
держатели Обычно контактные площадки изготовляют вжитанием
специальной пасты, представляющей смесь дисперсного серебра с
порошком легкоплавкой эмали и органической связкой (сгущенный
скипидар). Вжигание этой пасты производят в туннельных или
муфельных печах при температуре 470—500°С, что обеспечивает
прочное соединение возжженного серебра с кварцем [43]. Далее на
пластины наносят электродные покрытия испарением металла в
вакууме. Для осуществления этого процесса могут быть использо-
ваны типовые установки, применяемые в микроэлектронике для на-
несения пленок Имеется вакуумное оборудование, более произво-
дительное, специально предназначенное для кварцевого производ-
ства. Для достижения требуемых характеристик резонаторов м<ас-
са электродов должна иметь определенные значения для каждого
случая. Поэтому процесс нанесения электродных покрытий жела-
тельно осуществлять при непрерывном контроле частоты ПЭ Если
нанесение электродных покрытий осуществляется без контроля ча-
стоты, то толщину, следовательно, и массу электродов заведомо
делают меньше необходимой, а затем наращивают, например галь-
ваническим способом, до тех пор, пока частота не достигнет тре-
буемого значения. После этого пластины прокаливают, чтобы ста-
билизировать структуру электродных покрытий. Наращивают обыч-
но серебро, золото или никель. В качестве материалов для элек-
тродных покрытий высокочастотных ПЭ используют преимущест-
венно серебро, .а на частотах выше 30 МГц — алюминий. Многие
предприятия с успехом используют вместо серебра медь, сплавы
меди с никелем и никель. Для повышения адгезии электродных
Окончательная настройка частоты
107
покрытий на кварцевые пластины наносят тонкий подслой хро,ма,
ванадия или марганца. Использование медно-никелевых покрытий
позволяет исключить операцию вжигания серебряных контактных
площадок. Отмечается улучшение характеристики старения у ре-
зонаторов с никелевыми и медно-никелевьими электродами .(старе-
ние уменьшается в 2 раза).
Для замены трудоемкого способа ежигания серебряной пасты
в последние годы был разработан технологический процесс вакуум-
ного напыления никелевых или медно-никелевых пленочных кон-
тактных площадок на кварцевые (Пластины. Это позволило произ-
водить монтаж ПЭ с алюминиевыми электродами пайкой.
Пленочные контактные площадки увеличивают производительность
труда и выход годных изделий на операции монтажа. Напыление
никелевых контактных площадок производится методом катодного
распыления па установке, оснащенной специальными приспособле-
ниями
Отжиг и термотренировку ПЭ производят в вакуумных печах
и специализированных установках для вакуумного отжига, смен-
ная оснастка которых позволяет производить отжиг ПЭ и резона-
торов в вакууме при температурах до 500°С.
5.8
МОНТАЖ
Монтаж ПЭ обычно осуществляется пайкой мягким припоем. Мон-
таж вакуумных резонаторов осуществляют припоем с повышенной
температурой плавления (230—26СРС). Пьезоэлементы резонато-
ров, корпуса которых герметизируют пайкой, в результате чего
паяные соединения внутри корпуса могут подвергаться опасному
нагреву, также соединяют с держателями припоем с температурой
плавления 230—i260°iC. Монтаж ПЭ является ответственной опера-
цией. На электрические параметры влияют состав припоя, его ко-
личество, точность крепления держателей к ПЭ и к стойкам. Су-
щественно влияют на параметры резонаторов механические напря-
жения в системе крепления. Уменьшению и устранению этик нап-
ряжений при монтаже уделяется особое внимание.
После монтажа держатели со смонтированными ПЭ моют с
целью удаления остатков флюса и подвергают нагреву при темпе-
ратуре 100—200°С для уменьшения напряжений в ПЭ и держате-
лях, возникших после монтажа Нагрев желательно осуществлять
в вакууме или инертной атмосфере
Для монтажа ПЭ, кроме пайки, используют сварку, термоком-
прессию и приклейку проводящими клеями В отечественном про-
изводстве из этих способов монтажа нашла применение сварка, ис-
пользуемая при монтаже ПЭ миниатюрных вакуумных резонато-
ров в стеклянных корпусах, поскольку при заварке последних ПЭ
подвергаются нагреву до высокой температуры, достигающей 400эС.
5.9
ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ НАСТРОЙКА ЧАСТОТЫ
Если до или после монтажа частота была предварительно настрое-
на, то после термотренировки она несколько изменяется. Поэтому
перед установкой в корпус и герметизацией производят оконча-
108
Производство кварцевых резонаторов
тельную настройку частоты. При этом учитывают и то (обстоятель-
ство, что после операций герметизации, вакуумирования и разного
рода тренировок частота также изменяется. (В связи с этим были
разработаны способы, позволяющие корректировать частоту после
установки ЛЭ в корпус, герметизации и вакуумирования.
'Окончательную настройку низкочастотных резонаторов чаше
осуществляют пюдшлифовкой граней или ребер ПЭ абразивным
бруском. Широко используется также способ, известный как спо-
соб настроечных масс. На поверхность <ПЭ наносят, обычно напаи-
вают, небольшие частицы припоя, массу которых затем можно
либо уменьшать, либо увеличивать, изменяя тем самым частоту
ПЭ [44]. Иногда используют также способ настройки, основанный
на увеличении или уменьшении массы нанесенных электродных по-
крытий. Указанные способы позволяют как повышать, так и пони-
жать частоту ПЭ.
Высокочастотные ПЭ настраивают, как правило, изменением
массы тонких металлических пленок на электродных покрытиях.
На многих предприятиях для этого используют гальванический спо-
соб, при котором на электродные покрытия наращивают |(.или уда-
ляют) тонкий слой металла (серебра, золота или никеля).
Более совершенным является способ вакуумной настройки, при
котором на специальных вакуумных установках наносят тонкую
пленку проводящего, плохо проводящего (резистивного) или непро-
водящего (диэлектрического) материала. При этом ПЭ включают
в схему генератора, что позволяет контролировать изменение час-
тоты в течение всего процесса настройки, прекращая его в тот
момент, когда частота окажется в пределах нужного допуска. На-
несение резистивных или диэлектрических пленок при настройке
более предпочтительно, так как не сопровождается изменением и
ухудшением спектральных характеристик, как это имеет место
при нанесении проводящих пленок. Известны способы, основанные
на химическом взаимодействии газов или паров некоторых веществ
с материалом электродного покрытия. Одним из вариантов этого
способа является обработка ПЭ с серебряными электродами па-
рами йода. Однако соединения серебра с йодом /(йодистое сереб-
ро) недостаточно стабильно (разлагается при действии света), что
ограничивает использование этого простого и удобного способа
настройки. Имеются сообщения об использовании для настройки
частоты монолитных фильтров паров ртути, реагирующих с сере-
бряными электродами и образующих стабильные соединения. Ши-
роко используется также способ настройки частоты в газовом раз-
ряде, основанный на воздействии на поверхность электрода иони-
зированных частиц газа (ионная бомбардировка), 'вследствие чего
частота резонаторов повышается. Этим способом возможна наст-
ройка частоты после герметизации резонаторов. Он используется
также для настройки частоты вакуумных резонаторов [451. Для
окончательной настройки частоты, *в том числе и резонаторов в
стеклянных баллонах, используют воздействие лазерного луча на
электродные или специальные настроечные покрытия. .Лазерная на-
стройка получит в будущем более широкое распространение.
Герметизация резонаторов
109
5.10
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ РЕЗОНАТОРОВ
Основная масса резонаторов выпускается в плоских металлических
корпусах типов Б и М. Соединение основания корпуса с кожухом
осуществляется посредством пайки .мягким припоем. На большин-
стве предприятий эту операцию осуществляют, используя нагрев
корпуса токами высокой частоты, без применения флюса. Однако
для улучшения качества' паяного соединения осуществляется до-
полнительная пайка шва вручную с применением небольшого ко-
личества флюса. К сожалению, эта операция приводит к проник-
новению следов флюса внутрь корпуса, изменению частоты и ухуд-
шению стабильности частоты во времени. После запайки корпуса
производится заполнение его .внутреннего объема сухим воздухом
или инертным .газом через отверстие в .кожухе, которое затем за-
паивается.
Металлические корпуса герметизируются также посредством
электросварки. Корпуса от транзисторов и .микросхем сваривают,
используя типовое оборудование для конденсаторной сварки. Этот
процесс хорошо зарекомендовал себя, так как он вносит меньшие
загрязнения, чем пайка с флюсом, и более производителен, так как
одновременно с герметизацией производится и заполнение внут-
реннего объема корпуса инертным газом, поскольку сварку произ-
водят в защитной среде. Находит применение и сварка лазерным
луче.м, однако она менее производительна и более сложна.
Наиболее перспективна сварка давлением (холодная сварка).
Этот способ используется для герметизации круглых плоских кор-
пусов типа Ъ
За рубежом металлические корпуса с холодносварным соедине-
нием используют не только' для .герметичных, но и для вакуумных
резонаторов. Выпуск таких резонаторов, которые должны заме-
нить устаревшие конструкции корпусов с паяным соединением ти-
пов Б и М, начинают 'осваивать и некоторые наши предприятия.
Соединение частей стеклянных корпусов вакуумных резонато-
ров .осуществляют большей частью посредством сварки на газо-
вом пламени. При малом объеме производства эту операцию вы-
полняют вручную на газовой горелке. При большом объеме вы-
пуска используют одношпиндельные или .многошпиндельные станки
для заварки колб радиоламп. После заварки производят откачку
воздуха из корпуса на типовых откачных установках. Корпуса ти-
пов КА и КБ вакуумных резонаторов соединяют, используя нагрев
места соединения токами высокой частоты,' для чего между осно-
ванием и колпачком прокладывают тонкое кольцо из ковара. Про-
цесс заварки корпуса производят в вакууме, вследствие чего одно-
временно достигается и вакуумирование внутреннего объема резо-
натора.
После герметизации 'осуществляются маркировка резонаторов,
испытания и измерения их электрических параметров. Для сложных
и точных резонаторов трудоемкость процесса испытаний и измере-
ний составляет половину всей трудоемкости, а иногда и много
превышает ее. Изготовленные резонаторы подвергают различного
рода тренировкам: температурным, механическим, электрическим
(нагрузкой в рабочем режиме колебаний или при повышенной мощ-
110
Резонаторы изгибных колебаний
ности), после чего они (поступают на приемо-сдаточные иопытания.
(Ценность таких тренировок существенно возрастает, если из-
меряется частота дю и после тренировок. Эти данные могут быть
важными показателями качества резонаторов.
В (Последние годы созданы установки, (позволяющие в одном
цикле совместить несколько операций изготовления резонаторов,
начиная с процесса нанесения электродных покрытий и кончая
операциями герметизации и вакуумирования. Использование таких
установок позволяет исключить ряд ручных операций, связанных
с перерывами между отдельными операциями, нахождением резо-
наторов на .воздухе и неизбежными загрязнениями, что существен-
но улучшает их характеристики старения.
Краткое описание процессов производства резонаторов приве-
дено не только для подтверждения его сложности и длительности.
Заказчикам необходимо учитывать технический уровень производ-
ства при выборе поставщиков; заказчики могут активно воздейст-
вовать на них и стимулировать внедрение новых технических дос-
тижений.
6.
Резонаторы изгибных колебаний
ед
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. Впервые колебания изгиба были
использованы для кварцевых резонаторов в 4927 г. |Гибе и Шайбе
в Германии и Гаррисоном в США. В <том же году Кэди (США)
использовал для резонатора биморфный пьезоэлемент Кюри. Пер-
вые резонаторы изгибных 'колебаний имели низкую стабильность
.частоты и широкого распространения не получили Дальнейшие
исследования, имевшие щелью уменьшить ТКЧ резонаторов изгиб-
ных колебаний, успешно завершились в 40-х годах, когда Бекке-
рату в Германии и Васину в СССР удалось возбудить в кварце-
вых стержнях Х-среза колебания изгиба в плоскости XY и найти
такие их геометрические характеристики, при которых ТКЧ был
мал. В это же время в США Мэзоном и Сайксом был найден срез
сложной ориентации (НТ), позволяющий уменьшить ТКЧ изгибных
колебаний [18]
Исследования зарубежных и советских специалистов [46, 8]
позволили существенно улучшить параметры резонаторов изгибных
колебаний, которые образовали важный класс, отличающийся раз-
нообразием форм и срезов ПЭ Эти резонаторы используются в
самой нижней части диапазона частот резонаторов
Особенности колебаний. В отличие от других видов
колебаний, скорость распространения колебаний изпиба существен-
но зависит от частоты. Этим объясняется тот факт, что отношения
частот собственных колебаний разных порядков оказываются весь-
Общие сведения
111
ма далекими от гармонических отношений. Отношения частот ко-
лебаний второго, третьего и четвертого порядков к частоте основ-
ного колебания составляют соответственно 2,76; 5,44; 9,60. В ре-
зонаторах изгибных колебаний используются только колебания из-
гиба .первого порядка.
Характерны особенности формы колебаний изгиба. В то время
как для других видов колебаний число узлов оказывается равным
порядку колебаний, при колебаниях изгиба их число оказывается
на единицу больше В стержне, совершающем колебания изгиба
Рис. 6.1. Деформация изгиба стержня
1 — узловые точки; 2 — нейтральная линия; 3 — эпюра нор-
мальных напряжений
первого порядка, наблюдаются два узла, расположенных на рас-
стояниях 0,224 длины стержня от его концов (рис. 6 1). При из-
гибе одна половина стержня испытывает растяжение, в то время
как другая — сжатие. Механические напряжения равны нулю в
среднем сечении, называемом нейтральным. Эпюра нормальных
механических напряжений в поперечном сечении показана рис. 6 1.
Для изгибных колебаний справедлива формула, связывающая
частоту с размерами ПЭГ
f = Kfbf/l\ ' (6.1)
где bf — размер топеречного сечения (толщина или ширина), в на-
правлении которого происходит изгиб; I — длина стержня; К/—
частотный коэффициент, являющийся сложной функцией отноше-
ний размеров bf и /, упругих коэффициентов и плотности.
Частота не зависит от другого поперечного размера ПЭ. Из
рассмотрения ф-лы (6.1) нетрудно сделать вывод, что одно и то
же значение чистоты можно получить для различных значений I
и bf. Такой характер зависимости частоты является существенным
преимуществом изгибных колебаний, дающим конструкторам ши-
рокие возможности для вариаций размеров ПЭ, которые использо-
ваны для миниатюризации и создания современных типов микро-
резонаторов
Колебания изгиба можно возбудить в плоскостях длина—тол-
щина или длина—ширина Эти колебания соответственно называют:
изгибные колебания по толщине или по ширине. В резонаторах
избегают отношений размеров сечений ПЭ, близких к единице, так
как при этом частоты изгибных колебаний по толщине и по ши-
112
Резонаторы изгибных колебаний
рине оказываются близкими и связанными между собой, что ухуд-
шает характеристики резонаторов Узловые точки на пересечении
нейтральной плоскости с гранями характерны тем, что не тотько
смещения, вдэ и напряжения в них равны нулю что отличает из-
гибные колебания от колебаний других видов Поэтом \ крепление
в узловых точках оказывает незначительное в зияние на характе-
ристики 'резонаторов х
Рис 6 2 Расположение электродов для возбуждения изгиба
а) в пластине XY среза, б) в стержне XY среза
Возбуждение "Колебаний Колебания изгиба можно
возбудить в кварцевой пластине или стержне любой ориентации,
однако наиболее интенсивно они возбуждаются в птастинах Х-сре-
за Для возбуждения изгиба, характеризующегося напряженным
состоянием, при котором одна патовина пластины или стержня
растянута, а другая сжита, необходимо воздействие неоднородного
поля, компоненты которого различны или противоположны по на
правлению в разных половинах стержня Обычно такое поте соз-
дают, используя две пары электродов, расположенных либо на
два х противоположных гранях тастины, либо на четырех боковых
граняих стержня (см рис 1 14) В первом случае направление по
ля в одной половине пластины противоположно направлению его
в другой Во втором случае образуется неоднородное поте, ком-
поненты которого по разные стороны от осевой плоскости проти-
воположны др' г другу Распатожение и полярность этектродов, а
также направтение компонент поля и деформаций показаны на
рис 6 2, где в поперечном разрезе изображены силовые линии по-
ля, крестиком обозначена область растяжения, точкой — область
сжатия В обоих случаях противоположные компоненты потя вы-
зывают в одной половине стержня или тастины растяжение, а в
другой — сжатие, следовательно, создают напряженное состояние,
характерное для изгиба Возбуждение изгиба в пластине разделен-
ными электродами (рис 6 2а) более эффективно чем возбуждение
стержня четырьмя боковыми электродами (рис 6 26), поскольку
в последнем случае поле интенсивно только вблизи ребер стерж-
Общие сведения
113
ня, в то время как средняя его часть оказывается под воздейст-
вием очень слабых компонент доля
В пластине ХУ-среза с разделенными электродами (см рис
6 2а) изгиб происходит в плоскости электродов (YZ), т е по ши-
рине, в то время как стержень с боковыми электродами (см рис
6 26) изгибается в плоскости XY и в зависимости от соотношений
размеров поперечника стержня изгиб может происходить как по
ширине, так и по толщине
Рис 6 з
изгиба
Расположение электродов для возбуждения
а) в биморфном ПЭ, б) в щелевом ПЭ
Более эффективных способов возбуждения изгиба в плоскости
XY наружными электродами в пластинах Х-среза нет Их эффек-
тивное возбуждение возможно при наличии внутреннего электро
да Такой внутренний электрод можно осуществить, разрезав плас-
тину на две половины и вновь соединив их после введения между
ними тонкой металлической пленки Пьезоэлементы, составленные
из двух пластин, называют сдвоенными или биморфными (рис
6 3а) Возможно введение внутреннего электрода в полость, име-
ющую вид тонкой щели, как показано на рис 6 36 Эти пьезоэле-
’i менты называют щелевыми
? Иногда для ослабления обертонов или для уменьшения емко-
устного коэффициента используют укороченные по длине электро-
ды Изгиб возникает в пластине также при возбуждении в ее по-
ловинах противоположных друг другу сдвигов На рис 6 4 пока-
заны расположение электродов, необходимое для возбуждения про-
тивоположных сдвигов, и возникающая при этом деформация из-
гиба Практического использования подобные ПЭ не нашли
Срезы и пьезоэлементы Пьезоэлементы изгибных ко-
лебаний имеют форму узких прямоугольных пластин или тонких
стержней прямоугольного сечения С понижением частоты длина
ПЭ возрастает Редко используются ПЭ сложной формы, напри-
мер в виде камертонов, колец, гантелей (рис 6 5) Практическое
применение нашли следующие виды ПЭ
ХА — в виде тонких пластин среза ху или xt/s/-f-5° с продоль-
но разделенными электродами,
114
Резонаторы изгибных колебаний
ХБ— сдвоенные или биморфные среза xysja с параллельным
соединением электродов »(упол а от —2 до 7°);
ХВ — стержневые среза xys/a или zybly с боковыми электро-
дами (углы а и у от —4 до 7°);
Рис. 6.4. Расположение электро-
дов для возбуждения изгиба,
возникающего при возбуждении
в пластине противоположных
сдвигов
НТ — в виде тонких пластин с продольно разделенными элек-
тродами. НТ срез—сложный двухпов'оротный срез семейства
Х-срезов, обозначающийся xylslfila. Угол р может быть в пределах
от ±40 до ±70°, ,а угол а — от 0 до 8°;
Рис. 6.5. Пьезоэлементы изгибных колебаний сложных форм:
а) Н-образный; б) камертон; в) кольцо; г) гантель, о) щелевой
различных сложных форм (камертоны, кольца, стержни со
щелью [48], строенные млн триморфные и т. д.).
На рис. 6.6 показаны формы, 'Ориентация и расположение элек-
тродов ПЭ наиболее употребительных типов.
Классификация. Резонаторы изгибных колебаний делят
на типы, соответствующие используемым ПЭ (табл. 6 1).
Электрические характеристики
115
Таблица 6.1
Типы резонаторов, характеризующие их ПЭ и разновидности
изгибных колебаний
Тип резо- натора* Пьезоэлемент Разновидности колебаний
(форма Срез Электроды
ХА Прямоуголь- ные пластины ху, xysj+b ° Продольно разделенные (рис. 6.2а) Изгиб по ширине в плоскости YZ
Х5 \ Биморфные пластины xys/a, zyb/y Сплошные (рис. 6,3а) Изгиб в плоскости XY' по толщине, ре- же — изгиб по шири- не
ХВ Стержни пря- моугольного сечения xys/a, zyb/y Боковые, сплошные (рис. 6.26) Изгиб в плоскости XY' по толщине Изгиб по ширине
нт Пластины прямоуголь- ные xyls/fi/a Продольно разделенные (рис. 6.2а) Изгиб по ширине в плоскости YZ'
Рис. 6.6. Форма, ориентация, распо-
ложение электродов пьезоэлементов
наиболее распространенных типов
(ХА, ХБ, ХВ, НТ)
6.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот (табл. 6.2). Изпибные колебания позволяют
возбуждать более низкие колебания, чем другие виды колебаний.
Нижней границей диапазона их частот считают 0,4 кГц. На таких
Ц6
t Резонаторы изгибных колебаний
частотах длина ЛЭ достигает 70—1100 мм
пазона указывают 200 кГц, практически же выше
торы выпускают редко, так как
Таблица 62
Диапазоны частот резонаторов изгибных колебаний разных типов
Тип резо- натора Диапазон частот, кГц
широкий рекоменду- емый
ХА ХБ ХВ НТ 10—200 0,4—100 1 — 100 10—200 10—50 1—50 4—50 10—100
Верхней драницей диа
100 кГц резона
резонаторы изгибных колебаний
Таблица 63
Нестабильность частоты
резонаторов ХВ в различных
интервалах температур
для частот выше 15 кГц
Интервал темпера тур, °C Нестабильность час- тотах 10е
— 604-90 200—250 170—180
—404-70 120—140 90 — 100
— 10—60 60—70 50
Рис 6 7 Зависимость среднего ТКЧ
резонаторов ХА от соотношения
ширины к длине пьезоэлементов
на частотах выше 100 кГц заметно уступают резонаторам других
типов по ТКЧ и другим параметрам Резонаторы в которых ис-
пользуют колебания изгиба по ширине, имеют н <жнюю границу
диапазона частот около 10 кГц Колебания и-^иба по толщине ред-
ко используют выше 50 кГц
Спектр частот Резонаторы 1изгибных колебаний характе-
ризуются типичным спектром частот побочных резонансов, одина-
ковым для всех разновидностей Основные состав 1яющие спект-
ра— обертоны изгибных колебаний (колебания немного поряд-
ка), колебания изгиба четного порядка обычно вс возбуждаются
Ближайший побочный резонанс выше основного в 5,4 раза и весь-
ма интенсивен. Сопротивление на частоте этого обертона нередко
такое же, как и на основной частоте, поэтому в апериодических
КГ наблюдается неустойчивая работа (перескоки частоты или од-
новременное возбуждение колебаний двух частот) Ослабления
этих обертонов достигают соответствующим укорочением электро-
дов или изменением длины проволочных держателей У герметич-
ных резонаторов обертоны ослаблены больше, чем v вакуумных
резонаторов Частоты обертонов изгибных колебаний у резонато-
ров с ПЭ сложной формы отстоят от основной частоты на иных
расстояниях, чем у ПЭ, имеющих форму прямых стержней или
пластин
Электрические характеристики
117
Наб подаются слабые побочные резонансы, обусловленные
связью с продольными и кротильными колебаниями, а также из-
пибными колебаниями по другому размеру которые в большин-
стве случаев могут не приниматься в расчет Обнаруживаются по-
бочные резонансы, обусловленные колебаниями стоек кварцедер-
жателя Эти побочные резонансы обычно ослаблены на 20—^60 дБ,
однако при сближении с рабочей частотой могут усиливаться до
Рис 6 8 Зависимости частоты (/ и 2) и сопротивления (3 и
4} резонаторов ХБ (биморфных)
опасных значений, т е быть соизмеримыми по интенсивности с
основным
Зависимость частоты от температуры Частота
резонаторов ХА изменяется от температуры почти линейно, умень-
шаясь с температурой Средний ТКЧ — отрицательный и в зависи-
мости от угла среза и 'отношения ширины к длине ПЭ колеблется
в пределах от —8 ilO~6 до —25-10~6 1/°С Меньшее значение ТКЧ
соответствует малому отношению ширины к длине, равному 0,1,
т е. наблюдается у более низкочастотных резонаторов Большее
значение ТКЧ соответствует отношению ширины к длине, равному
0,5 На рис 6 7 дана зависимость ТКЧср от соотношения ширины
к длине
У резонаторов ХБ зависимость частоты от температуры имеет
вид квадратичной параболы (рис 6 8), крутизна которой характе-
ризуется значениями коэффициента а2 (3—4)-10~8 1/(°С)2. Точка
нулевого ТКЧ (То) находится в области температур от 0 до 35°С
На более низких частотах |(ниже 3—4 кГц) наблюдается асиммет-
рия ТЧХ На более высоких частотах ТЧХ более симметричны и
имеют меньшую крутизну Положение точки То зависит от отно-
шения толщины к длине ПЭ Искажение формы ТЧХ, разбросы
положения точки То объясняются влиянием соединительного слоя
(припоя, клея), (возрастающим с уменьшением толщины пластин.
118
Резонаторы изгибных колебаний
Поэтому (изготовители предпочитают ограничиваться общей неста-
бильностью частоты в интервале рабочих температур, не опова1ри-
вая положения точки То и увеличивая эту нестабильность против
рассчитанной по (4 4)
Резонаторы ХВ имеют квадратичные ТЧХ, характеризующиеся
значениями коэффициента а2 от 2,5-10—8 до 4 10-8 l^CC)2 Коэф
фициент а.2 больше у тонких ПЭ с отношением толщины к длине
порядка 0,1 и уменьшается с увеличением этого отношения Иными
словами, резонаторы на более низине частоты (ниже 12 кГц)
имеют значения аг порядка (3,5—4) 10-8 1/(°С)2, на частоты
Рис 6 9 Частотно температурные характеристики резонзто
ров ХВ (/) и НТ (?)
12—10 кГц около 3 10-8 1/(°С)2 и на более высокие частоты —
2,5 10-8 1/(°С)2 В большинстве источников указывают обычно
верхнее значение коэффициента аг, т е 3,5 10-8 1/(°С)2 Положе-
ние точки Го можно изменить в нужных пределах изменением угла
среза и отношения толщины (ширины) к длине ПЭ Для тонких
стержней (с отношением гготщины к ширине менее 0,1), испотьзус
мых на низких частотах (ииже 7 кГц), значения То нельзя полу
чить выше 20—30°С При высокой техноaoiriHHecKoft дисцичтине и
правильном выполнении крептения разбросы Го не превышают
3—5°С
Типичные, но достаточно жесткие требования на температур
ную нестабильность частоты указаны в табл 6 3
Резонаторы НТ имеют квадратичные ТЧХ, коэффициент аг
заключается в пределах (3 5—4 5) 10"8 1/(°С)3, т е он несколько
больше, чем у резонаторов ХВ Положение точки То зависит от
углов среза и отношения размеров ПЭ л может быть в пределах
от 0 до 80°С Изготовители обычно гарантируют изменение часто
ты в интервале температур от —60 до + Ю5°С не более
±300 10~6, а в интервале от —10 до -|-60оС не более ±100 10-6
Электрические характеристики
119
w Относительно большой ТКЧ ограничивает возможности исполь-
зования (резонаторов НТ, и они используются все реже
На рис 6 9 приведены ТЧХ резонаторов типов ХВ и НТ
Эквивалентные параметры Значения параметров —
сопротивления, индуктивности и параллельной емкости — для резо-
наторов разных типов приведены в табл 6 4
Таблица 64
Эквивалентные параметры резонаторов изгибных
колебаний
Тип резонато ра Сопротивле ние, кОм Индуктив ность, Г Параллельная емкость пФ
ХА 1—50 1 000—600 7—10
ХБ 2—500 1 2—25
ХВ 0 5—о 100 000—300 7—1 4
НТ 1 — 10 60 000—1 000 7—10
Области значений сопротивления и индуктивности, достижи-
мых в условиях производства, показаны на рис 6 10—6 12 Наибо
лее низкие значения индуктивности имеют резонаторы ХБ и ХА
Сопротивление правильно рассчитанных и выполненных в со-
ответствии с (расчетом резонаторов изгибных колебаний обычно не-
много возрастает с повышением температуры примерно на 30—(50%
Однако для большинства резонаторов существующих конструкций
характерны нерегулярные изменения сопротивления от температу-
ры, достигающие 200—600%, о причинах которых речь идет ниже
Несколько больше зависимость сопротивления от температуры у
резонаторов ХБ, показанная на рис 6 8 Сопротивление герметич-
ных резонаторов выше сопротивления вакуумных примерно в
3—10 раз
Добротность Значения этого параметра существенно за-
висят от типа ПЭ, конструктивных и технолопических факторов
(табл 65)
Герметичные резонаторы имеют более низкую добротность, чем
вакуумные, соответствующую различиям их сопротивлений Наибо
Таблица 65
Добротность и емкостный
коэффициент резонаторов
изгибных колебаний
Таблица 66
Типоразмеры резонаторов
изгибных колебаний
в стеклянных корпусах
Тип резонато ра Доброт- ность QX 10—’ Гмкостный коэффици- ент
ХА 20—200 230—250
ХБ 10—100 200—250
ХВ 50—800 400 — 1200
НТ 30—300 700—3000
Частота, кГц Типоразмеры корпусов
С Э
1—2 С86, С74 Э72
2—5 С74, С54 Э62, Э52
э—10 С54, С48 Э52, Э47, Э42
10—30 С48, С41 Э42, Э37
30—100 С41, С34 Э37, Э32
Рис 6 10 Области значении индуктив
пости (/) и сопротивления (2) резона
торов ХА и НТ
Рис б 11 Области зиачении индуктивности
(/) и сопротивления (2) резонаторов \Ь
Рис 6 12 Области значении индуктив
ности (/) и сопротивления (2) резона
торов ХВ
Электрические характеристмки
121
лее высокие значения добротности имеют резонаторы ХВ, значения
которой 'могут достигать >(5—10) • 105, средние же значения доброт-
ности обычно составляют (1—3) • 105 для вакуумных и (3—10) • 10*
для герметичных резонаторов Более низкую добротность имеют
резонаторы НТ и ХА, еще более низкую — резонаторы ХБ и так
называемые щелевые резонаторы, описываемые ниже.
Емкостный коэффициент Значения этого параметра,
существенно определяющие области использования резонаторов,
приведены в табл 6 5 Наименьшее значение емкостного коэффи-
циента имеют резонаторы ХА, ХБ и с щелевыми ПЭ, наиболь-
шее — резонаторы НТ
Уровень возбуждения Резонаторы изгибных колеба-
ний заметно1 более чувствительны к уровню возбуждения, чем ре-
зонаторы других типов Предельная величина рассеиваемой мощ-
ности составляет 0,05-—0,1 мВт Для вакуумных резонаторов, доб-
ротность которых выше 2 105, эту величину необходимо снижать
в 2—3 раза
Превышение уровня возбуждения приводят либо к поломке
рПЭ, либо к неустойчивой работе резонатора, обусловленной рез-
I Жим увеличением сопротивления В последнем случае наблюдаются
; переококи частоты (возбуждение обертонов) или одновременное воз-
буждение двух частот — рабочей и обертона
Старение Отмечается [47], что резонаторы изгибных коле-
баний имеют меньшие величины старения по сравнению с другими
низкочастотными резонаторами Это объясняется тем, что в мес-
тах присоединения проволочиых держателей к ПЭ механические
напряжения незначительны и изменения жесткости крепления ма-
ло влияют на частоту Необходимо, чтобы и крепление держателей
к стойкам или консолям также осуществлялось бы в узлах Не-
соблюдение последнего условия заметно ухудшает характеристики
старения Если резонаторы с правильно рассчитанным и выполнен-
ным креплением в среднем характеризуются изменениями частоты
за 3—5 лет хранения не более чем ±5 10-6, то резонаторы с про-
извольно выполненным креплением имеют в 5—6 раз большие из-
менения частоты Обычно изготовители гарантируют старение для
вакуумных резонаторов не хуже ±25 10~6 за 10—12 лет хранения
и эксплуатации, а для герметичных — не хуже ±40 10-6 или даже
±70 10~6 за те же сроки Микрорезонаторы на частоту ~32 кГц
обеспечивают старение не хуже ±5 10-в за первый год хранения,
что является убедительным свидетельством того, как правильно
рассчитанное и выполненное крепление позволяет уменьшить ве-
личину старения
У резонаторов в металлических корпусах- с герметизацией пай-
кой загрязнения внутреннего объема следами флюса также суще-
ственно ухудшают характеристики старения Показательно, что
герметичные резонаторы в металлических корпусах, соединенных
холодной сваркой, имеют на порядок меньшие величины старения
по сравнению с резонаторами в стандартных корпусах, соединяе-
мых пайкой
Меньшие величины старения имеют резонаторы ХВ. Резона-
торы ХА и НТ имеют обычно в среднем в 1,5 раза, а резонаторы
ХБ примерно в 2 раза большие величины старения Резонаторы на
122
Резонаторы изгибных колебаний
частоты ниже 10 «Гц характеризуются большими величинами ста-
рения, чем резонаторы на более высокие частоты.
Показатели старения резонаторов одних и тех же типов и
конструкций нередко различаются у ризных изготовителей в нес-
колько раз, а иногда и на порядок, что является доказательством
существенного влияния на этот важный параметр правильности
конструктивных решений и уровня производства.
6.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
•
Корпуса. Резонаторы изгибных колебаний выпускают герметич-
ными, преимущественно в металлических корпусах типа У и реже
в удлиненных (несуандратных) корпусах типа Б. Имеются сведе-
ния о .выпуске резонаторов в плоских корпусах, подобных корпу-
сам от микросхем, соединяемых холодной сваркой. Вакуумные ре-
зонаторы .выпускают в баллонах типов С и Э (табл. 6.6), а также
в специальных стеклянных баллонах .диаметрами 8 и 10 мм для
бескаркасного монтажа.
Иногда стеклянные баллоны заполняют инертным газом или
воздухом для ослабления побочных резонансов. Микро ре зон а торы
выпускают вакуумными, преимущественно в .металлических корпу-
сах разных размеров и форм. Необходимость вакуумирования обу-
словлена требованием уменьшить затухание, вызванное акустиче-
ским излучением.
Кв а рцеде р ж а те л и. Для крепления вибраторов изгибных
колебаний используют два типа кварцедержателей: каркасные и
консольные. Кроме того, существуют еще так называемые бескар-
касные резонаторы, у которых кв а рцеде ржа те ль как некоторый от-
дельный узел отсутствует и вибраторы крепятся непосредственно
к стенкам корпуса или баллона резонатора [49].
Каркасные кварцедержатели обладают несколькими недостат-
ками. Частоты собственных колебаний стоек каркаса, выполненных
из тонких и недостаточно жестких стержней, оказываются в диа-
пазоне частот как (внешних .механических вибраций, так и рабочих
частот резонаторов. Это ухудшает вибро прочность и виброустой-
чивюсть резонаторов. Механическая связь ПЭ со стойками каркаса,
учитывая близость частот их собственных колебаний, существенно
влияет на многие параметры резонаторов, такие, как добротность,
ТКЧ, старение и пр. Собственные колебания стоек являются при-
чиной возникновения побочных резонансов, неусточивости колеба-
ний и перескоков частоты.
Консольные юварцедержатели дают хорошие результаты толь-
ко в случае, если консоли достаточно жестки. Если же жесткость
невелика, они обладают теми же недостатками, что и каркасные
кв а рцеде р ж алели.
В бескаркасных резонаторах влияние крепления меньше, так
как стенки корпуса или баллона достаточно жестки и частоты их
собственных колебаний оказываются выше диапазона частот ре-
зонаторов. Параметры бескаркасных резонаторов существенно пре-
восходят параметры резонаторов с каркасными кварцедержателй-
ми [15]..
Конструктивные данные
123
Крепление пьезоэлемеятов. Пьезоэлементы крепятся
прямыми или изогнутыми проволочными держателями. Прямые дер-
жатели '(струны) обеспечивают большую жесткость системы креп-
ления, и их чаще попользуют в резонаторах, подвергающихся ин-
тенсивным механическим воздействиям. Изогнутые держатели
(пружины) менее жестки.
Обычно крепление осуществляется четырьмя держателями, од-
нако для крепления миниатюрных ПЭ достаточно двух держате-
лей. Для повышения вибропрочности и виброустойчивости исполь-
зуют конструкции крепления посредством большего чем четыре
числа пружин различной формы и различного расположения плос-
костей их изгиба. Иногда в этих же целях используют крепление
держателей к четырем боковым граням.
Влияние крепления на электрические и эксплуатационные ха-
рактеристики изгибных резонаторов весьма заметно, и далеко не
всегда в реальных конструкциях крепление оказывается правиль-
но спроектированным. Проволочные держатели, независимо от их
формы и места присоединения, являются частью колебательной си-
стемы ПЭ и, как уже указывалось, являются присоединенными
элементами с распределенными параметрами, т. е. механическими
волноводами. Они интенсивно колеблются, передают значительную
долю энергии в кварцедержатель. При колебаниях в держателях
образуются стоячие волны, следовательно, узлы и пучности меха-
нических смещений. Крепление держателей к стойкам каркасов,
консолям или стенкам корпуса должно обязательно осуществлять-
ся в узловых точках.' При этом влияние крепления на параметры
и характеристики резонаторов незначительно. В реальных конст-
рукциях указанное выше условие крепления, как правило, не вы-
полняется. Конструкции, имеющие фиксированные расстояния меж-
ду стойками и консолями, затрудняют решение этой задачи, во
всяком случае для ПЭ со струнами. Это требование в существую-
щих конструкциях можно выполнить, устанавливая отражатели на
струнах или используя вибраторы с изогнутыми держателями (пру-
жинами), форма и размеры которых точно рассчитаны с тем, что-
бы узлы смещений совпадали со стойками или консолями. Однако
установка отражателей на проволочных держателях для резона-
торов изгибных колебаний не практикуется несмотря на то, что
это мероприятие радикально устраняет влияние крепления. Особен-
но заметно влияние крепления в резонаторах Э с каркасными
кварцедержателямй, жесткость которых невелика. Эти резонаторы
характеризуются искажением температурных характеристик сопро-
тивления и частоты,, пониженной добротностью и большими раз-
бросами электрических параметров, что заставляет изготовителей
все чаще использовать бескаркасные конструкции резонаторов.
У резонаторов с неправильно выполненным креплением пере-
дача колебаний в кварцедержатель настолько значительна, что его
колебания легко обнаруживаются и сильно ухудшают стабильность
частоты и добротность. Очень часто это влияние обнаруживается
через корпус резонатора, например, касание корпуса рукой изме-
няет частоту и сопротивление резонатора. Такие резонаторы мало-
стабильны и ненадежны в эксплуатации.
Механическая прочность и устойчивость. Сим-
метричное и уравновешенное крепление ПЭ посредством четырех
124
Резонаторы изгибных колебаний
проволочных струн или пружин обеспечивает достаточно высокую
прочность то отношению к импульсным воздействиям — толчкам и
ударам. Однако длина струн и дружин в изгибных ПЭ больше,
чем у резонаторов других типов, и с понижением частоты возра-
стает Поэтому система крепления ПЭ имеет низкую частоту соб-
ственных колебаний, часто ниже 100—200 Гц, что уменьшает проч-
ность резонаторов к вибрационным воздействиям. У резонаторов с
каркасными мварцедержателями частоты колебаний стоек каркасов
оказываются в диапазоне частот вибраций, что еще более снижает
вибропрочность резонаторов. Большей механической прочностью ив
отношению к вибрациям обладают бескаркасные резонаторы и ре-
зонаторы в корпусах от микросхем Существенного повышения ме-
ханической прочности резонаторов изгибных колебаний достигают,
используя крепление посредством восьми пружин Такие резонато-
ры на частоту 20 кГц в корпусе С имеют удовлетворительные па-
раметры: добротность около 25-104, сопротивление 1,2—2,2 кОм,
выдерживают длительное воздействие вибраций 30g на частотах от
5 до 5000 Гц, одиночные удары 500g и многократные 50g.
Частота резонаторов изгибных колебаний изменяется в резуль-
тате механических воздействий, преимущественно вибраций. В боль-
шинстве случаев изготовители гарантируют изменение частоты
±(10—20)-10_6 при воздействии вибраций 10—15g и ±10-10~6
при воздействии ударов 500g. При этом изменения частоты неред-
ко носят необратимый характер. Механические воздействия вызы-
вают, как правило, понижение частоты. Качество монтажа, правиль-
ность и точность мест крепления существенно определяют стабиль-
ность частоты и устойчивость ее к механическим воздействиям
Резонаторы на частоты ниже 10—<12 кГц обладают заметно
меньшими механической прочностью и устойчивостью
Пьезо-ЭДС («виброшумы»). Внешние механические воз-
действия, главным образом вибрации, вызывают появление на элек-
тродах ПЭ электрического напряжения При механических воздей-
ствиях происходит деформация ПЭ и возникают электрические за-
ряды как следствие прямого пьезоэффекта. При импульсных воз-
действиях |(толчках, ударах) пьезо-ЭДС имеет характер затухаю-
щих колебаний. При воздействии вибраций, частота которых близ-
ка к частрте резонатора, пьезо-ЭДС возрастает и может быть при-
чиной появления нежелательных сигналов при работе резонаторов
в аппаратуре, например в фильтре С пьезо-ЭДС приходится счи-
таться на частотах резонаторов ниже 5 иГц в случаях эксплуата-
ции резонаторов в подвижной аппаратуре, подвергающейся виб-
рациям.
Число полюсов Резонаторы выпускают двух-, трех-' и
четырехполюсными. Некоторые предприятия все резонаторы выпус-
кают четырехполюсными. Соответствующая коммутация внешних
выводов позволяет использовать их как трех- или двухполюсные.
Сведения о производстве. Резонаторы изгибных ко-
лебаний выпускает большинство предприятий. Наиболее хорошо
изучены и освоены в производстве резонаторы ХВ и ХА. Резона-
торы НТ выпускает ограниченное число предприятий, резонаторы
ХБ и резонаторы с щелевыми ПЭ выпускают только в порядке
опытного производства Резонаторы с ПЭ сложных форм (кроме
щелевых ПЭ) отечественные предприятия не выпускают.
Влияние различных факторов на качество резонаторов
125
6.4
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО РЕЗОНАТОРОВ
У большинства выпускаемых резонаторов изгибных колебаний стру-
ны или пружины присоединяются произвольно к стойкам или кон-
солям кварцедержателей Иными славами, только на отдельных
частотах случайно выполняется условие присоединения струн или
пружин к кварцедержателю ib узлах смещений. О влиянии соблю-
дения этого условия подробно говорилась в предыдущем парагра-
фе. Потребителям следует при заказе резонаторов требовать не-
больших изменений сопротивления от температуры (не более 50%).
Присоединение к корпусу механических нагрузок (крепление или
касание рукой) не должно вызывать изменений частоты и сопро-
тивления. Выполнение этих требований неизбежно заставит разра-
ботчиков и изготовителей правильно рассчитывать и (выполнять
крепление вибраторов.
Рис 6 13 Различные варианты расположения межэлек-
тродных зазоров и силовых линий поля (показаны стрел-
ками) в пьезоэлементах ХВ
а) при разделении электродов шлифовкой; б) при элек-
троискровом разделении в плоскости YZ; е) при электро-
искровом разделении в плоскости YX
Для резонаторов ХВ характерны значительные разбросы ем-
костного коэффицента (от 400 до 1200) и ‘значений индуктивности.
Как показали соответствующие исследования, различия и разбро-
сы этих параметров 'обусловлены различиями расположения меж-
электродных зазоров и .их размеров. Эти зазоры осуществляют
либо шлифовкой ребер, либо электроискровым делением сплошно-
го металлического покрытия. На рис. 6.13 показаны различия форм
и расположения межэлектродных зазоров, которые наиболее часто
встречаются и объясняют различия таких параметров, как индук-
тивность и емкостный коэффициент. Величина зазора s (рис. 6.13а)
определяет минимум значения емкостного коэффициента. Правиль-
но рассчитанная величина зазора позволяет достичь значения ем-
костного коэффициента, равного 400. Варианты ч расположения за-
зоров, показанные на рис. 6.13 б и в, при одинаковых зазорах дают
различия значений емкостного коэффициента в 2—3 раза, причем
126
Резонаторы изгибных колебаний
наибольшее его значение соответствует расположению, показанно-
му на рис. 6.13в. Это различие легко /понять, если учесть, что наи-
большие компоненты поля вблизи зазора в случае в направлены
преимущественно в /направлении оси X, т. е в направлении наи-
большего значения пьезомодуля, в то время как в случае б эти
компоненты действуют в основном в направлении оси Z, т. е. в
направлении, для которого пьезоэффект равен нулю.
6.5
РЕЗОНАТОРЫ С ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТАМИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Широкого применения резонаторы с ПЭ сложной формы не полу-
чили. В последнее время за рубежом появились сообщения об ис-
пользовании в микрорезонаторах ПЭ, имеющих форму камертона.
Такая форма позволяет уменьшить длину ПЭ и резонаторов. Из-
вестны также резонаторы с ПЭ в форме разрезанного кольца. Од-
нако, кроме трудностей изготовления, возникают еще и трудности
крепления такого ПЭ.
Отечественными предприятиями выпускаются резонаторы из-
гибных колебаний с так называемыми щелевыми ПЭ, представля-
ющими стержень, в котором прорезана тонкая щель по нейтраль-
ной плоскости изгиба [48]. Щель позволяет нанести на ее поверх-
ности металлическое покрытие и осуществить таким образом внут-
ренний электрод. Щелевые ПЭ являются по своему устройству ана-
логами биморфны/х и, обладал их достоинствами, лишены недостат-
ков, обусловленных несовершенством техники соединения состав-
ляющих их .пластин. Они имеют более низкие значения индуктив-
ности и емкостного коэффициента, что позволяет использовать их
в широкополосных КФ. У резонаторов с щелевыми ПЭ — такие же
ТЧХ, как у резонаторов типа ХВ, они имеют в 3—4 раза более
широкий резонансный промежуток, а также в 6—10 раз меньшие
значения индуктивности. Остальные их показатели не хуже, чем
у резонаторов типа ХВ, за исключением добротности, которая в
1,5—2 раза ниже (табл. 6 7).
Таблица 67
Сравнительные данные параметров резонаторов типов ХВ и щелевых
на частоту 10 кГц для одинаковых размеров ПЭ
Параметр Тип ПЭ Значение параметра
Эквивалентное сопротивление, кОм Со щелью 19,6
Сплошной 51 ,0
Эквивалентная индуктивность, Г Со щелью 5 100
Сплошной 30 000
Емкостный коэффициент C0JCt Со щелью 290
Сплошной 810
Добротность, QX10-3 Со щелью 23
Сплошной 31
Рекомендации по применению
127
6.6
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Среди специалистов как изготовителей, так и потребителей распро-
странено 'мнение о плохих качествах и ненадежности резонаторов
изгибных колебаний. Это мнение отчасти оправдывается наличием
конструктивных недостатков каркасных и консольных кварцедер-
жателей и отсутствием (расчетов крепления ПЭ, на что уже указы-
валось выше. Многие неприятности в ’процессе эксплуатации обус-
ловлены тем, что резонаторы работают при недопустимо высоких
уровнях возбуждения. Исследования и соответствующие испытания
показывают, что правильно спроектированные резонаторы при уров-
нях возбуждения, не превышающих 0,05 мВт, работают устойчиво
и надежно.
При заказе и согласовании технических требований на резона-
торы потребителям следует оговаривать величину изменения сопро-
тивления от температуры не более чем на '20—50%, а также устой-
чивость частоты к воздействию присоединяемых к корпусу меха-
нических импедансов Например, прикосновение к корпусу резона-
тора рукой не должно вызывать заметных изменений частоты по-
рядка (1—2) • 10_6. Выполнение этих простых требований заставит
изготовителей проверить и, если нужно, пересмотреть конструктив-
ные решения и расчеты крепления.
Потребителям необходимо помнить следующее.
1. С понижением частоты резонаторов длина и гибкость про-
волочных держателей возрастают. Соответственно уменьшается ме-
ханическая прочность, особенно вибропрочность, а также вибро-
устойчивость резонаторов.
2. Следует избегать использования резонаторов, частоты кото-
рых близки к частотам внешних механических вибраций. При этом
вследствие пьезоэффекта на электродах резонатора возникает пьезо-
ЭДС («виброшумы»), наличие которой следует иметь в виду. При
необходимости ее величину следует оговаривать в технических тре-
бованиях.
3. Резонаторы изгибных колебаний на частотах выше 50 кГц
уступают резонаторам других видов колебаний по температурной
стабильности, и поэтому их используют редко Они применяются на
частотах выше 50 кГц в тех случаях, когда требуется уменьшение
габаритов, а требования к стабильности частоты невысоки. Выше
100 кГц выигрыша в габаритах изгибные колебания не дают.
4. Резонаторы ХА,имеющие большой ТКЧ (более 10-10~6 1°/С),
используют в широкополосных кварцевых фильтрах, посколь-
ку эти резонаторы имеют относительно широкий резонансный про-
межуток и низкие значения индуктивности. Их можно использо-
вать также в КГ, к стабильности частоты которых не предъявля-
ют требований лучше чем 10~3.
5. Резонаторы ХБ обычно используют на частотах ниже 5 кГц
и в КГ и КФ.
6. Для стабильных широкополосных КФ на частоты от 10 до
40 кГц используют резонаторы с биморфными и с щелевыми ПЭ.
Резонаторы ХБ на частоты до 5 кГц характеризуются большими,,
чем резонаторы других типов, разбросами сопротивления и ТЧХ.
7. Резонаторы ХВ, опыт прозводства которых имеет больший-
128
Резонаторы крутильных колебаний
ство предприятий, следует предпочитать резонаторам НТ, имею-
щим худшие электрические и эксплуатационные характеристики.
Резонаторы ХВ используют преимущественно в КГ на фиксиро-
ванные частоты и узкополосных КФ. Разбросы индуктивности ре-
зонаторов ХВ достигают 10% и определяются различиями меж-
электродных зазоров.
8. Следует предпочитать бескаркасные резонаторы в случаях,
если резонаторы предназначены для эксплуатации в ответствен-
ной аппаратуре, подвергающейся интенсивным механическим воз-
действиям.
6.7
ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Существующие конструкции резонаторов изгибных колебаний бо-
лее чем конструкции других типов требуют усовершенствования и
доработки: как повышения жесткости каркасов и консолей квар-
цедержателей, так и точности присоединения струн и пружин к
стойкам каркасов и консолей в узловых точках. Дальнейший про-
гресс связан с широким внедрением в серийное производство бес-
каркасных конструкций и использованием плоских металлических
корпусов от микросхем, герметизируемых холодной сваркой. Диа-
пазон частот резонаторов с биморфными и щелевыми ПЭ, кото-
рый ограничивается для первых частотами 10 кГц, а для вторых-
25 кГц, может быть расширен до 100 кГц, что позволит создать
малогабаритные резонаторы для кварцевых фильтров в этом диа-
пазоне частот.
Наконец, опыт разработки и производства микрорезонаторов
для электронных часов позволяет решить задачу создания микро-
резонаторов для диапазона частот от 10 до 100—200 кГц.
7.
Резонаторы крутильных колебаний
7.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. Резонаторы крутильных колебаний
нашли практическое применение в СССР в результате использова-
ния отечественных изобретений и исследований, выполненных в
последние годы [50—56]. За рубежом эти резонаторы не применя-
ются и сведений о них в иностранных источниках нет. В отечест-
венной научной и технической литературе были публикации, со-
держащие вопросы теории, расчета и проектирования резонаторов
крутильных колебаний, представляющие интерес преимущественно
для специалистов-разработчиков резонаторов, но содержащие ма-
ло сведений для потребителей Резонаторы крутильных колебаний
Общие сведения
129
патентно чисты, защищены патентами в ряде стран [57—61]. Прак-
тика их отечественного производства и эксплуатации в ответствен-
ной аппаратуре насчитывает уже более 15 лет.
Особенности колебаний. Крутильные колебания, так
же как и колебания изгиба, могут возникать только в телах огра-
ниченной формы, например в стержнях или пластинах. Крутиль-
ные колебания сходны с колебаниями сжатия-растяжения длинных
..стержней и описываются одинаковыми уравнениями движения. Од-
нако несмотря на сходство, между ними есть и заметные различия.
Частота крутильных колебаний длинного стержня существенно за-
висит от формы и отношения размеров его поперечного сечения, в
то время как частота продольных колебаний практически не зави-
сит от этих факторов. Частота крутильных колебаний не зависит
от отношения размеров поперечника к длине; для продольных ко-
лебаний это отношение заметно влияет на частоту. Поэтому час-
тоты обертонов крутильных колебаний находятся в кратных отно-
шениях между собой, причем гармонические отношения сохраняют-
ся до частот очень высоких порядков (до 30) и отклонения от
кратных чисел не превышают долей процента. У продольных коле-
баний отклонения от гармонических .-отношений частот обертонов
быстро возрастают с номером обертона.
Скорость распространения крутильных колебаний в 1,5—2 раза
ниже скорости продольных. Соответственно и частоты крутильных
колебаний стержня ниже частот его продольных колебаний.
При колебаниях кручения одна половина стержня закручива-
ется в одну сторону, а другая — в противоположную. Кручение
происходит вокруг продольной оси стержня, называемой осью кру-
чения (см рис. 1.65). Упругие волны распространяются вдоль оси
кручения, т. е. по длине стержня, вдоль которой устанавливаются
стоячие волны, число полуволн которых определяет порядок коле-
баний. Торцы стержня при колебаниях совершают наибольшие
смещения. Эпюры колебательных смещений и напряжений пру ко-
лебаниях кручения такие же, как и при продольных колебаниях
(см. рис. 1.5).
Возбуждение колебан-ий. Задача возбуждения круче-
ния сходна с задачей возбуждения изгиба, так как и в том, и в
другом случаях в стержне необходимо возбудить противополож-
ные друг другу деформации. Для этого необходима поляризация
половин стержня в противоположных направлениях. Ориентация
стержня и расположение электродов должны быть таковы, чтобы
в половинах стержня возникали противоположные друг другу ка-
сательные напряжения, т. е. возникало бы напряженное состояние,
характерное для кручения.
Колебания кручения можно возбудить в кварцевом стержне
любой ориентации, однако наиболее просто и эффективно возбуж-
дать их в стержнях, оси которых совпадают с направлением оси;
X кварца. Для возбуждения стержней такой ориентации использу-
ют четыре электрода чередующейся полярности, расположенные на,
боковых гранях стержня и подобные тем, которые используют
для возбуждения изгиба в ПЭ резонаторов ХВ. Для ослабления,
обертонов используют укороченные электроды. Колебания круче*-
ния четного порядка такими электродами не возбуждаются, и для'
их возбуждения необходимо использовать секционированные элек-
130
Резонаторы крутильных колебаний
троды. Колебания нечетного порядка возбуждения электродами,
длина которых равна длине стержня. Более эффективно они воз-
буждаются секционированными электродами. Число секций долж-
Рис. 7.1, Схемы соединений электродов пьезоэлементов крутиль-
ных колебаний-
а) двухполюсного; б) трехполюсного
но быть равно числу, обозначающему порядок колебаний. Устрой-
ство секционированных электродов показано на рис. 1.15. У двух-
лолюсных резонаторов электроды на противоположных гранях сое-
Рис. 7 2. Ориентация пьезоэлемента крутильных
колебаний среза yxlfc относительно осей кварца
диняют между собой, у трехполюсных — соединяют только одну
пару противоположных электродов (рис. 7.1).
Срезы и пьезоэлементы. Практическое применение по-
лучили ПЭ в виде тонких стержней прямоугольного сечения, дли-
на которых совпадает с направлением оси X кварца. Срезы таких
стержней относятся к семейству повернутых У-срезов, имеющих
обозначения ухЦ^ (рис. 7.2). Пьезоэлементы этих срезов имеют
ряд преимуществ, к числу которых относятся:
отсутствие связей с другими видами колебаний;
Электрические характеристики
131
возможность получения малого ТКЧ для некоторых углов сре-
за и определенных отношений поперечных размеров;
простота разделки кристаллов кварца на заготовки.
Первоначально использовались ПЭ среза t/x//±35° [50], но
вскоре вместо них стали использовать ПЭ среза ух11±4Ъ°, позво-
ляющие более эффективно регулировать ЧТХ небольшим изменени-
ем отношения поперечных размеров ПЭ, а не угла среза, что яв-
ляется существенным их преимуществом, облегчающим и упроща-
ющим производство. Резонаторы с ПЭ среза ух11±4Ъ° называют
резонаторами ВП. Они получили наиболее широкое распростране-
ние. Обнаружены другие срезы крутильных колебаний, имеющие
меньший ТКЧ, чем ПЭ резонаторов ВП. Практически используют-
ся ПЭ почти квадратного сечения: 2,2X2,2 мм. Один из размеров
в пределах 0,1 мм делается меньше 2,2 мм для точной установки
точки То- Без ухудшения параметров резонаторов сечение ПЭ мо-
жет быть уменьшено вдвое. Резонаторы ВП с ПЭ уменьшенного
сечения (1,2X1,2) мм выпускаются некоторыми предприятиями.
Классификация. Резонаторы крутильных колебаний клас-
сифицируют по срезу ПЭ и некоторым конструктивным данным, в
частности по виду крепления ПЭ. Практически используются резо-
наторы ВП с ПЭ среза yxll±№°.
По конструкции крепления различают резонаторы с боковым
и с осевым креплением ПЭ.
7.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Резонаторы крутильных колебаний выпус-
кают на частоты от 30 до 1000 кГц. На частоты от 30 до 500 кГц
используют колебания первого порядка. Обертоны используют на
частоты от 250 до 1000 кГц. Резонаторы на частоты ниже 40 кГц
имеют значительную длину ПЭ и соответственно корпусов, чго ог-
раничивает их применение. Частоты ПЭ связаны с его длиной за-
висимостью
f = nKf/l,
где п — целое число, равное порядку колебаний, а К) — частотный
коэффициент, зависящий от угла среза и отношения поперечных
размеров ПЭ. На рис. 7.3 приведена зависимость частотного коэф-
фициента для значений угла среза ±45°. Отношение толщины к
ширине ПЭ среза yxlj±^° обычно не превышает 0,85, и частотный
коэффициент заключается в пределах 1750—1850 кГц-мм. Поэтому
на частоте 30 кГц размер ПЭ имеет длину около 60 мм.
Спектр частот. В ПЭ резонаторов крутильных колебаний
срезов yxlffi не возбуждаются другие виды колебаний. ни пьезо-
электрически, ни вследствие упругих связей, поэтому они не содер-
жат побочных резонансов, обусловленных другими видами колеба-
ний. В резонаторах' ВП присутствуют побочные резонансы, обус-
ловленные гармоническими обертонами крутильных колебаний.
Частота ближайшего побочного резонанса втрое выше рабочей ча-
стоты. В резонаторах, ПЭ которых имеют длинные электроды (т. е.
равные длине ПЭ), эти побочные резонансы по интенсивности мо-
гут быть такими же, как и рабочий резонанс. Для ослабления бли-
5*
132
Резонаторы крутильных колебаний
жайшего и наиболее интенсивного резонанса прибегают к укороче-
нию электродов на 1/3 часть полной длины (рис 7.4).
У резонаторов, рабочими частотами которых являются оберто-
ны, возбуждаемые секционированными электродами, имеются по-
Рис 7 3 Зависимость частотного коэффициента Ку пьезо-
элемента среза yxll±A5° от отношения толщины к шири-
не ПЭ
мер, у резонатора, в котором используются колебания третьего
порядка, имеется побочный резонанс ниже рабочего, обусловлен-
ный колебаниями первого порядка, ослабленный -вследствие секци-
онирования электродов в 4 раза Ближайший побочный резонанс
выше рабочего обусловлен колебаниями пятого порядка, частота
которого больше в 1,67 раз. Иногда вследствие производственных
отклонений у таких резонаторов возникают близкие по частоте
побочные резонансы, обусловленные совпадением частот продоль-
ных колебаний второго порядка и крутильных колебаний третьего
порядка
Зависимость частоты от температуры. Резонато-
ры ВП имеют ТЧХ в виде пар,абол второго порядка, описываемые
зависимостью (4.5). Параболы практически симметричны и коэффи-
Электрические характеристики
133
циент а2 находится в пределах (1,6—2,7) • 10~8 1/(°С)2. За расчет-
ную величину коэффициента а2 принимают значение 2,5 X
ХЮ-81/(°С)2 Положение точки нулевого ТКЧ (То) можно изме-
нять в широких пределах более чем на 100°С изменением попереч-
ных размеров ПЭ в пределах от 0,8 до 1. Зависимость параметра
То от отношения ширины к длине ПЭ показана на рис. 7.5. Пара-
Рис 7 5 Зависимость точки нулевого ТКЧ (То) пьезоэле-
ментов среза yxll±45a от соотношения толщины к шири-
не Кривые i — для отношения ширины к длине 0,1Г,
2 —для отношения 0,22
Рис 7 6 Типичная частотно температурная характеристика резо
наторов ВП
метр То зависит несколько и от отношения ширины к длине ПЭ.
С увеличением этого отношения То смещается в область более
низких температур. Типичная ТЧХ резонатора ВП приведена на
рис. 7 6 Разбросы положения точки То обычно невелики и не пре-
вышают ±5°С С повышением порядка колебаний точка То смеща-
ется в область более высоких температур. Крутизна ТЧХ резона-
торов, работающих на обертонах, такая же, как и у резонаторов,
использующих колебания первого порядка.
Эквивалентные параметры (табл. 7.1). Сопротивле-
ние. Сопротивление резонаторов ВП зависит от частоты, уменьша-
134
Резонаторы крутильных колебаний
Таблица 7,1
Предельные значения эквивалентных параметров
резонаторов крутильных колебаний ВП
Поддиапазон частот, кГц Порядок колебаний Сопротивление, Ом Индуктивность, Г
30—140 1 100—2500 780—100
95—300 3 50—100 250—15
200—500 5 50 — 100 50—5
400—700 7 50—100 30—3
600—800 9 50—100 10-2
ясь с ее повышением. На частотах ниже 100 кГц сопротивление
имеет значения от 500 до 2500 Ом, на более высоких частотах со-
противление имеет значения в пределах от 500 до 100 Ом для ре-
зонаторов на основной частоте. Резонаторы на обертонах имеют
более низкие значения сопротивления в пределах от 50 до 100 Ом
Рис 7 7 Зависимость сопротивления от
температуры резонаторов ВП с боко-
вым типом крепления пьезоэлементов.
Кривые 1 — крепление струн к ПЭ оло
вянно-свинцовым припоем; 2 — крепле-
ние посредством оловянно-сурьмяного
припоя
Рис. 7.8 Зависимость индуктивно-
сти резонаторов ВП от частоты. За-
штрихована область возможных
значений индуктивности
Зависимость сопротивления от температуры определяется кон-
струкцией крепления и свойствами материалов последнего. У резо-
наторов с боковым креплением посредством четырех проволочных
держателей (ПЭ на основной частоте) сопротивление увеличивает-
ся с повышением температуры. У резонаторов на обертонах эта
зависимость заметно меньше. У резонаторов с осевым креплением
сопротивление практически не зависит от температуры. На рис. 7.7
Электрические характеристики
135
показаны температурные зависимости сопротивления резонаторов
ВП.
Индуктивность. Для резонаторов ВП значения этого парамет-
ра мало зависят от геометрических характеристик ПЭ. Индуктив-
ность увеличивается с понижением частоты. Зависимость индуктив-
ности резонаторов ВП с ПЭ, имеющими электроды полной длины,
приведена на рис. 7.8. При укорочении электродов индуктивность
возрастает и может быть рассчитана по формуле Li7 = Li/K_7, где
£1у— значения индуктивности резонатора с укороченными элект-
родами; Li — индуктивность резонатора с электродами полной
длины; Ку — коэффициент, являющийся функцией отношения длин
Рис. 7.9. Зависимость коэффициента /Су, определяющего
увеличение индуктивности резонаторов крутильных коле-
баний при относительном укорочении электродов
электродов, представленной графически на рис. 7 9 Индуктивность
резонаторов, возбуждаемых на обертонах секционированными элек-
тродами, может быть рассчитана по формуле Ь\п = Щп2, где L\—
значение индуктивности для случая возбуждения на основной час-
тоте; п — порядок колебания, a Lln—искомое значение индуктив-
ности. Значение Li следует брать из графика на рис. 7.8. Посколь-
ку электроду секций соединены параллельно, эквивалентная ем-
кость возрастает, а индуктивность соответственно уменьшается.
Увеличивая число секций, можно тем самым в широких пределах
изменять значения этих параметров. Значения индуктивности для
резонаторов, работающих на обертонах, приведены на рис. 7.10.
Так же, как и для резонаторов изгибных колебаний ХВ, значения
индуктивности существенно зависят от величины межэлектродных
зазоров.
Параллельная емкость. Ее значения заключаются в пределах
от 5 до 25 пФ, причем большие значения соответствуют низким
частотам.
Добротность. Добротность резонаторов в зависимости от
уровня производства и конструктивных особенностей колеблется в
пределах от 50-Ю3 до 500-103. Зависимость добротности от тем-
пературы определяется температурной зависимостью сопротивле-
ния.
136
Резонаторы крутильных колебаний
Емкостный коэффициент. Значения емкостного коэф-
фициента находятся в пределах 500—700. Большие его значения
наблюдаются у резонаторов на более высоких частотах, работаю-
Рис. 7.10. Зависимость индуктивности резонаторов ВП, рабо-
тающих на обертонах, ог частоты. Заштрихована область
возможных значений индуктивности
Рис. 7.11. Зависимость изменения частоты резонаторов
ВП от величины мощности рассеяния
щих на обертонах с секционированными электродами, так как па-
раллельная емкость у таких ПЭ несколько больше из-за медссек-
ционных зазоров. Такие значения емкостного коэффициента опре-
деляют относительно небольшой резонансный промежуток резонато-
ров ВП, не превышающий 0,1%.
Уровень возбуждения. С увеличением мощности рас-
сеяния частота резонаторов понижается, а сопротивление возраста-
ет (рис. 7.11). Величины изменений частоты при этом зависят от
типа крепления и свойств припоя. Уровни возбуждения до 1 мВъ
не вызывают необратимых изменений частоты, и эту величину при-^
нимают в качестве предельно допустимой мощности рассеяния.!
При увеличении мощности рассеяния от 0,01 до 1,0 мВт изменений
Конструктивные данные
137
частоты могут достигать ±10-10_6, а сопротивления — до 50%.
Поэтому рекомендуется эксплуатировать резонаторы при уровне
возбуждения не более 0,2 мВт. При этом изменение мощности рас-
сеяния на ±20% вызывает изменения частоты порядка ±0,5-10-8,
а сопротивления — не более 5По-
старение. Вакуумные резонаторы ВП в корпусах С и Э
характеризуются небольшим старением. Изменения частоты за пер-
вый год хранения и эксплуатации обычно не превышают ±5-10~8,
и за гарантийную норму старения (10—12 лет) принимают
±(10—20)-10-6.
7.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса. Резонаторы ВП выпускают вакуумными в стеклянных
корпусах Э. Редко выпускают резонаторы в корпусах С1 (с жест-
кими выводами). Однако резонаторы в корпусах С являются ус-
таревшими, имеют большие габариты и не лучшие, чем резонаторы
в корпусах Э, электрические параметры. На частоты выше 100 кГц
резонаторы выпускают в корпусах Э37 и Э32, на частоту 50 кГц—
в корпусе Э52.
Кварцедержатели. Для резонаторов используют специ-
альные кварцедержатели каркасного типа с четырьмя стойками,
обладающие повышенной жесткостью.
Крепление пьезоэлементов. В большинстве случаев
крепление ПЭ осуществляют четырьмя проволочными струнами,
припаянными в центрах боковых граней. Места присоединения
струн совпадают с узлами смещений, которым соответствуют пуч-
ность напряжений. Поэтому такое крепление, называемое боковым,
заметно влияет на характеристики резонаторов. Например, качест-
во и величина доз припоя существенно определяют температурные
характеристики сопротивления и величины старения. На рис. 7.7
для сравнения приведены температурные характеристики сопротив-
ления резонаторов ВП, крепление струн которых выполнено при-
поем разного состава.
При возбуждении обертонов, порядок колебаний которых не-
четный, узловые точки также расположены в центрах боковых
граней, что позволяет использовать те же кварцедержатели, что и
в случае ПЭ, возбуждаемых на основной частоте. Для колебаний
четного порядка расположение узлов иное, что требует использо-
вания других конструкций крепления.
Возможны и другие варианты крепления ПЭ крутильных ко-
лебаний (рис. 7.12), из которых получило практическое использо-
вание осевое крепление, влияние которого на характеристики ре-
зонатора меньше, чем бокового крепления. Поскольку при осевом
креплении струны присоединены в пучностях смещений, обязатель-
но применение отражателей. Осевое крепление ПЭ позволяет су-
щественно уменьшить поперечные размеры резонаторов, и оно ус-
пешно используется в микрорезонаторах.
Герметичные резонаторы ВП не выпускаются, так как у них в
3 5 раз меньшая добротность и соответственно более высокие со-
противления.
138
Резонаторы крутильных колебаний
Механическая прочность-и устойчивость. Жест-
кие каркасные кварцедержатели и короткие струны, крепящие ПЭ
с четырех сторон, определяют высокую прочность и жесткость сис-
темы крепления, если учесть относительно небольшую массу ПЭ.
Рис. 7.12. Виды крепления пьезоэлементов крутильных
колебаний:
а) боковое, четырьмя струнами; б) осевое, двумя стру-
нами; в) реберное, четырьмя струнами; г) смешанное,
четырьмя струнами
Резонаторы на частоты выше 60 кГц выдерживают одиночные
удары до 1000g, многократные удары до 50g и длительные вибра-
ции с ускорениями 20—30g в диапазоне частот до 5000 Гц. Резо-
наторы на более низкие частоты имеют меньшую механическую
прочность.
Изменения частоты после всех механических воздействий обыч-
но не превосходят ±510-6. За гарантийную норму принимают
вдвое большую величину.
Перспективы улучшения характеристик
139
Резонаторы с тонкими ПЭ и осевым креплением имеют более
высокую прочность и более устойчивы к механическим воздействи-
ям, в том числе и вибрационным.
Число полюсов. В зависимости от требований потребите-
лей выпускают как двух, так и трехполюсные резонаторы. Некото-
рые предприятия выпускают трехполюсные резонаторы, которые
внешней коммутацией выводов превращаются в двухполюсные.
Сведения о производстве. Резонаторы ВП освоены в
серийном производстве. В порядке опытного производства выпус-
каются улучшенные в конструктивном отношении варианты этих
резонаторов (с осевым креплением ПЭ) и микрорезонаторы. Изго-
товители, освоившие производство резонаторов ВП, предпочитают
изготовлять их на частоты от 50 до 500 кГц, так как это освобож-
дает их от необходимости выпускать большое число резонаторов
разных типов для перекрытия указанного диапазона частот.
7.4
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Резонаторы крутильных колебаний как отвечающие требова-
ниям группы I условий эксплуатации ГОСТ 11599—67 рекоменду-
ется использовать в аппаратуре, предназначенной для жестких ус-
ловий эксплуатации.
Более высокая температурная стабильность и надежность,
меньшие габариты, отсутствие близких по частоте побочных резо-
нансов позволяют успешно использовать эти резонаторы в узкопо-
лосных кварцевых фильтрах и кварцевых генераторах на фиксиро-
ванные частоты или с небольшой перестройкой частоты.
7.5
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ
КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Поскольку резонаторы ВП имеют определенные технологические
преимущества, они становятся основным типом резонаторов на
частоты от 50 до 800 кГц. В этом случае производству вместо не-
скольких типов срезов, различия их углов, форм и размеров ПЭ
и их отношений достаточно использовать заготовки только одного
угла среза и одинаковых размеров по ширине и толщине, что яв-
ляется большим преимуществом, облегчающим производство.
Определилась тенденция к использованию резонаторов с осе-
вым креплением, позволяющим существенно уменьшить попереч-
ные размеры корпусов резонаторов. Разработаны конструкции в
стеклянных корпусах диаметрами 5 и 6 мм (рис. 7.13) и микро-
резонаторы в стеклянных и металлических корпусах диаметрами 4
и 3,6 мм. Такие размеры позволяют сочетать эти резонаторы с
микросхемами и успешно использовать в микроэлектронной аппа-
ратуре.
Разработаны также конструкции двойных и четверных резона-
торов в общем корпусе Э для фильтров и варианта в металличе-
ском корпусе от микросхем (К151) (рис. 7.14).
Далеко не использованы возможности улучшения температур-
ной стабильности частоты резонаторов крутильных колебаний. При
140
Резонаторы крутильных колебаний
сочетании определенных значений угла среза и отношения разме-
ров ПЭ возможно осуществить резонаторы, средний ТКЧ которых
в 1,5—3 раза меньше, чем у резонаторов ВП. Такие резонаторы
Рис 7 13. Резонатор ВП в стек-
лянном корпусе уменьшенных
габаритов
имеют квадратичные ТЧХ, коэффициент а2 которых составляет
(0,5—2,0) • 10-81/(°С)2, или кубические ТЧХ, похожие на характе-
ристики резонаторов АТ (рис. 7.15).
Рис 714. Четыре резонатора
крутильных колебаний в об-
щем корпусе от микросхемы;
показано- расположение пье-
зоэлемеитов при снятой
крышке
Имеются возможности уменьшения продольных размеров резо-
наторов и расширения диапазона в область низких частот в ре-
зультате использования ПЭ сложной формы со щелями (рис. 7.16).
Рис. 7.15. Частотно-температурная характеристика резонатора
крутильных колебаний (в виде кубической параболы)
Такая форма позволяет вдвое уменьшить длину ПЭ, так как их
частотный коэффициент вследствие уменьшения жесткости на кру^
чение в 2 раза меньше, чем у ПЭ без щелей. Ухудшения ТКЧ npg|
таком расположении щелей удается избежать [62].
Общие сведения
141
Выполненные исследования позволяют создать микрорезонато-
ры в корпусах диаметром 3—4 мм, перекрывающие диапазон час-
тот от 100 до 1000 кГц и удовлетворяющие жестким требованиям
по условиям эксплуатаций.
Рис. 7 16. Пьезоэлемент крутильных колебаний слож-
ной формы (со щелями)
8.
Резонаторы продольных колебаний
8.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка Самые первые кварцевые резонато-
ры, открытые Кэди в 1921 г, были резонаторами продольных ко-
лебаний. В них были использованы низкочастотные продольные ко-
лебания (колебания по длине) кварцевых пластин Х-среза (среза
Кюри). Позже, в 1923 г., Пирс обнаружил высокочастотные коле-
бания пластин Х-среза, т. е. продольные колебания по .толщине,,
которые были использованы для стабилизации частоты ламповых,
генераторов. Резонаторы продольных колебаний по толщине прак-
тически применялись до середины 30-х годов, а затем уступили1
место резонаторам сдвиговых колебаний косых срезов, так как их
ТКЧ был порядка —20-10-61/°С, т. е. на порядок больше, чем. у
последних. К этому времени выяснилось, что для толщинно-про-
дольных колебаний кварцевых пластин не существует срезов с ма-
лым ТКЧ и в настоящее время их для резонаторов не использу-
ют Резонаторы продольных колебаний (по длине) Х-среза имели
меньший ТКЧ, и в результате подробных экспериментальных и те-
оретических исследований, многих авторов (Гибе и Шайбе, Бехман
в Германии, Мэзон в США, Мацумура и Канзаки в Японии и др.)
их характеристики были существенно улучшены. Были подробно
изучены характеристики резонаторов не только семейства Х-срезов,
но и' семейства У-срезов. Среди последних Мэзоном в 1940 г. был
открыт срез ЖТ с очень малым ТКЧ в широком интервале темпе-
ратур. Резонаторы продольных колебаний до настоящего времени
являются одними из наиболее важных и распространенных резо-
наторов в низкочастотном диапазоне [18].
Особенности колебаний. Продольные колебания уз-
ких изотропных пластин относительно просты, могут рассматри-
142
Резонаторы продольных
‘баний
ваться как одномерные и описываться дифференциальным уравне-
нием движения /
*1 /
dt2 дх2 /
где £ — смещения в направлении х; vf— скорость распространения
продольных волн; / — время. Скорость' распространения зависит от
модуля Юнга Е и плотности р материала: v2=E/q. Частоты собст-
венных колебаний находят как корни уравнения движения: =
~nvj2l, где п — целое число, определяющее порядок колебаний;
1 — длина стержня или пластины, a fn — частота продольных ко-
лебаний п-го порядка Эти частоты находятся в кратных отношениях
Рис. 8 1. Деформация
кварцевой пластины
среза ху Растягиваю-
щее усилие (показан-
ное стрелками) вы-
зывает растяжение,
поперечное сжатие и
сдвиг в плоскости
Рис. 8.2. Зависимости частотного коэффициен-
та Kf продольных колебаний кварцевой пла-
стины среза ху от отношения ее ширины к
длине (1 и 2) и сдвиговых и продольных коле-
баний по ширине (3 и 4)
пластины
между собой. В действительности кратность отношений частот на-
блюдается только у очень узких пластин (с отношением размера
поперечника к длине менее 0,1) и для частот самых низких по-
рядков. С увеличением ширины и порядка колебаний отклонения
от кратности быстро возрастают. Это обусловлено тем, что одно-
мерная теория не учитывает других компонент движения. Наиболь-
шее влияние на частоту оказывают компоненты смещений, перпен-
Общие сведения
143
дикулярные длине стержня. Эти компоненты увеличивают общую-
амплитуду смещений. Происходит понижение частоты колебаний
вследствие боковой инерции. С увеличением отношения ширины к
длине компонента поперечных смещений и боковая инерция возра-
стают. То же происходит ц при увеличении порядка колебаний,,
поскольку в этом случае следует рассматривать отношение шири-
ны к длине полуволны, а не ко всей длине стержня.
Продольные колебания кварцевых пластин Х-среза более слож-
ны, чем колебания изотропных пластин, о которых речь щла выше,
так как деформации сжатия-растяжения и сдвига связаны между
собой. При растяжении пластины Х-среза происходят не только ее
удлинение и поперечное сжатие, но и сдвиг в плоскости пластины.
Рисунок 8.1 поясняет это явление. Эта связь, имеющая упругий
характер, усложняет форму колебаний, оказывая влияние на час-
тоту и ее зависимость от температуры. Зависимость часто-
ты продольных колебаний пластины Х-среза от отношения
ее ширины к длине приведена на рис. 8.2. При отношении
0,23 наблюдается аномалия, типичная для связанных колебаний,
которая объясняется тем, что частота продольных колебаний
первого порядка совпадает с частотой изгибных колеба-
ний по ширине второго порядка и вблизи обнаруживается побоч-
ный резонанс [19, 21]. Это исключает возможности использования
пластин с таким отношением размеров. Продольные колебания мо-
гут взаимодействовать с четными изгибными колебаниями более
высоких порядков, и при сближении их частот наблюдаются ано-
малии, аналогичные приведенной на рис. 8.2. Температурная зави-
симость частоты уменьшается с уменьшением ширины и увеличени-
ем толщины пластины Х-среза (ху). Вариациями углов среза (по-
воротом вокруг оси X, а также поворотом вокруг оси Y кварца)
можно изменять положение точки нулевого ТКЧ. С увеличением
ширины пластин ТКЧ возрастает и при отношении ширины к дли-
не более 0,5 становится настолько большим, что часто исключает
возможности их использования в резонаторах. Нежелательная
связь с колебаниями сдвига исчезает при повороте пластины вок-
руг оси X на углы —18,5° и 71,5°, и пластины таких ориентаций со-
вершают чисто продольные колебания. Колебания широких плас-
тин, ширина которых существенно влияет на частоту, являются
контурными (продольно-контурными), усложненными смещениями
сдвига (18, 19, 21].
Возбуждение колебаний. Продольные колебания наи-
более интенсивно возбуждаются в пластинах Х-среза кварца элек-
тродами, расположенными на их широких гранях. Для возбужде-
ния колебаний по длине используется поперечный пьезоэффект (пье-
зомодуль di2). При изменении ориентации пластины вследствие пово-
рота вокруг оси Y величина пьезомодуля di2 уменьшается и интен-
сивность колебаний падает. В пьезоэлементах семейства У-срезов.
длина пластины должна составлять с главными или повернутыми
осями X и Z углы ±45°.
Электродами полной длины возбуждаются колебания нечетных
порядков, колебания четных порядков при этом не возбуждаются.
Последние могут быть возбуждены секционированными электрода-
ми (см. рис. 1.9). Изменением длины электродов могут быть ослаб-
лены нежелательные обертоны или несколько уменьшена величина
144
Резонаторы продольных колебаний
емкостного коэффициента (18). В четырехрблюсных резонаторах
используют разделенные вдоль длины или./реже, вдоль ширины
электроды. /
Срезы и пьезоэлементы. Наиболее часто используют
ПЭ в виде прямоугольных пластин срезд xysja. Угол а в зависи-
Рис 8.3. Пьезоэлемент про-
дольных колебаний среза
xys/a в виде параллело-
грамма
Рис. 8 4 Пьезоэлемент в ви-
де широкой пластины среза
xys!§° с щелями
мости от требований к ТКЧ может быть в пределах от 0 до 7°.
Малый ТКЧ имеют ПЭ с отношением ширины к длине менее 0,2
(8, 18]. Широкие пластины с отношением ширины к толщине более
Рис. 8.5. Составной пьезоэлемент в виде пакета пластин, ме-
ханически связанных между собой по торцам
Ю,3 используют, если требуются низкие значения индуктивности
18]. Для улучшения ТКЧ широких пластин им придают форму па-
раллелограмма с определенным значением угла наклона торцевых
граней [63] или прорезают в них щели [64] в направлении длины
(рис. 8.3 и 8.4). Для улучшения спектральных характеристик ши-
роких пластин используют срез xys/—18,5°, в котором не возбуж-
даются колебания сдвига [21]. Для резонаторов с малым ТКЧ и
Классификация резонаторов продольных колебаний
Таблица 8.1
Условные обозначения, используемые Вид среза Форма пьезоэлемента Разновидности продольных колебаний
в справоч- нике за рубежом
хт +5°Х, Е, ХТ xys/a Плабтина с Z;/Z>0,2 По длине
ХЕ +5°Х, Е xysla Пластина с Ъ/1 от 0,3 до 0,8 Продол ьно-кбнтурные (по длине)
ХФ — 18,5°Х, F xys/—18,5° Пластина с Ъ/1 от 0,4 до 0,9 Продольно-контурные (по длине)
ШТ НТ xys/а Пластина в виде удлиненного паралле- лограмма с ЬЦ от 0,3 до 0,5 (рис. 8.3) По длине
ХШ, — xys/5° Пластина со щелями с b/Z<0,5 (рис 8 4)
хп — xi/s/50 Составной в виде пакета пластин с b/Z<0,2 (рис 8 5) »
мт м, МТ xyls/fi/a Пластина с Ъ/1 от 0,2 до 0,5 1*
жт GT, G yxls/51°/±45° Пластина с b/Z=0,859 Продольно контурные (по ширине)
ХР — xys/a Пластина с разрезами с Ъ/1 0,2—0,4 (рис. 8.6) Два связанных между со- бой колебания по длине
Общие сведения
Примечание. Значения угла среза а — в пределах от 0 до 8°, а значения угла среза Р -1- в пределах от ±35
до ±50°.
146 Резонаторы продольных
низкими значениями индуктивности использую^7 составные ПЭ в ви-
де пакета (рис. 8.5) пластин, сложенных широкими гранями и сое-
диненных по краям (65]. Известны также резонаторы с ПЭ, имею-
щими разрезы вдоль длины, как показано на рис. 8.6. Такие ПЭ
позволяют создавать как двухчастотные резонаторы с изолирован-
ными колебаниями, так и четырехполюсные резонаторы, колебания
которых механически связаны [66]. Известны ПЭ сложного (двух-
поворотного) среза МТ, обозначаемого xyZs/0/a, имеющие форму
узких пластин.
Х777/7/7/77/77/А'7//77///7777Л
. .. ) ( —
Х77777/777777/7Л/77/7777777777\
Ри.с. 8.6. Двухчастотный пьезоэлемент с продоль-
ными разрезами
Пьезоэлементы семейства У-срезов имеют обозначения
px/s/|3/±45o. Малый ТКЧ для них имеет место при определенных
значениях угла среза |3 и отношения ширины к длине. Из числа
этих срезов практическое применение нашел срез ЖТ, имеющий
обозначение z/xZs/51°/±45°. Другие срезы этого вида не использу-
ются по причине сложности разделки сырья на заготовки и отсут-
ствия существенных преимуществ по электрическим параметрам.
Классификация. Резонаторы продольных колебаний раз-
личают по видам колебаний (по длине, по ширине, по толщине,
контурные), по видам срезов и формам ПЭ и некоторым сущест-
венным конструктивным особенностям. Резонаторы, различающиеся
видами срезов и формой ПЭ, образовали отдельные типы, которые
принято обозначать буквами. Для некоторых типов в отечествен-
ной литературе используют те же буквенные обозначения, что и
за рубежом. Для типов, возникших в результате отечественных ис-
следований и изобретений, введены новые обозначения. Для типов,
не имевших в отечественной литературе условных обозначений,
введены новые, сходные с принятыми за рубежом. Для большинст-
ва типов, принадлежащих к семейству Х-срезов, первой буквой
обозначения принята буква X, вторая буква соответствует либо
обозначению, принятому за рубежом (Е, Ф), либо началу слова,
характеризующему форму ПЭ (Щ, П, Р). Классификация по этим
признакам приведена в табл. 8.1.
По, конструктивным признакам различают следующие резона-
торы: двухполюсные и четырехполюсные, с одним и двумя ПЭ в
одном корпусе.
8.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Частота продольных колебаний определя-
ется размером, в направлении которого распространяются колеба-
ния, и величиной частотного коэффициента. Для ПЭ семейства
Х-срезов частотный коэффициент равен примерно 2800 кГц-мм.
Электрические характеристики 147
Для ЖТ-среза он больше и составляет около 3300 кГц-мм! Прием-
лемые размеры ПЭ определяют, таким образом, диапазон частот
от 50 до 200—250 кГц. Колебания обертонов используются редко
на частотах 200—250 кГц.
Спектр частот. Спектр побочных резонансов определяется
гармоническими обертонами продольных колебаний по длине, по
ширине и колебаниями других видов (изгибных и сдвиговых). Ин-
тенсивны только частоты обертонов нечетного порядка, почти
кратные частоте рабочих колебаний. Часто^л обертонов четного
порядка практически не обнаруживаются или очень сильно (более
чем на 60 дБ) ослаблены. Резонаторы с узкими ПЭ (XT) обычно
Рис. 8.7. Зависимость среднего ТКЧ пьезоэлементов среза
ху от отношения его ширины к длине
свободны от близких побочных резонансов. У резонаторов XT име-
ются отношения размеров ПЭ, при которых возникают близкие
побочные резонансы, обусловленные колебаниями изгиба по шири-
не четных порядков. В резонаторах с широкими ПЭ (ХЕ, ХФ, ШТ)
обнаруживаются резонансы, обусловленные колебаниями сдвига и
сжатия-растяжения по ширине, о расположении которых дает
представление график на рис. 8.2. Обертоны продольных колебаний
могут быть ослаблены сооответствующим укорочением электродов
(см. § 1.14). Спектральные характеристики резонаторов ХЩ и ХП
(с щелевыми и составными ПЭ) примерно такие же, как и у ре-
зонаторов XT.
У резонаторов ЖТ имеется интенсивный побочный резонанс,
обусловленный продольными колебаниями по длине, частота кото-
рого ниже рабочей частоты примерно на 16%. Кроме того, имеют-
ся побочные резонансы, обусловленные связью с колебаниями из-
гиба по толщине — ширине и по толщине — длине.
Зависимость частоты от температуры. Для резо-
наторов с ПЭ среза xyslki ТКЧ зависит как от значения угла среза
а, так и от отношения ширины и толщины к длине ПЭ. На
рис. 8.7 приведена зависимость среднего ТКЧ пластин Х-среза от
отношения ширины к длине, из которой видно, что малый ТКЧ
148
Резонаторы продольных колебании
имеют узкие ПЭ с отношением этих размеров менее 0,2. В преде-
лах отношений от 0,2 до 0,3 ТКЧ резко возрастает из-за связи с
колебаниями изгиба. У широких пластин с отношением более
0,3 ТКЧ возрастает, достигая значения —30-10-61/°С при отноше-
нии 0,8.
Рис 8 8 Температурно-
частотные характеристи-
ки резонаторов XT и ХЕ
в зависимости от отно-
шения ширины к длине
пьезоэлементов среза
xys!^
Резонаторы XT с узкими ПЭ имеют ТЧХ в виде квадратичных
парабол, точка нулевого ТКЧ которых в зависимости от угла сре-
за и отношения размеров находится в пределах от 0 до 50°С. Ко-
эффициент аз, характеризующий крутизну ТЧХ, в зависимости от
угла среза, отношения поперечных размеров ПЭ к длине и техно-
логических факторов может быть в пределах (3—4,5) • 10—81/(°C)2.
Резонаторы ХЕ с широкими ПЭ (&/Z>0,3) имеют отрицатель-
ный ТКЧ, значение которого возрастает с увеличением Ь/l от
—7-10-6 до —30-10-61/°С. В области положительных температур
ТЧХ почти линейна. На рис. 8.8 приведены ТЧХ резонаторов XI
и ХЕ с ПЭ разной ширины (отношения ЬД указаны на кривых),
Резонаторы ХФ имеют ’линейные ТЧХ. Средний ТКЧ отрица-
тельный, равный —25-Ю-8 1/°С, не зависит от отношения размеро!
ПЭ.
Резонаторы ШТ и ХР имеют такие же ТЧХ, как и резонаторы
XT. Для резонаторов ШТ точка То может быть в пределах до
60°С.
Резонаторы ХП, ХЩ имеют ТЧХ, точка То которых находится
в пределах от 0 до 30°С. На рис. 8.9 приведены ТЧХ резонаторов
ХФ и ХЩ с ПЭ одинаковых размеров, иллюстрирующие влияние
Электрические характеристики
149
щелей на положение точки То. В то время как сплошной ПЭ име-
ет ТКЧср в области температур от 0 до 70°С около 5-10—61/°С и
точку То вблизи —40°С, у ПЭ тех же ’размеров со щелями ТКЧср
в той же области равен 0,6-10—61/°С, а точка То соответствует
температуре 23°С. Коэффициенты а2 соответственно равны 3,5 X
Х10-81/(°С)2 и 3,2-10-81/(°С)2.
Рис 8 9. Частотио-темпе-
ратурные характеристи-
ки резонаторов ХЕ и ХЩ
с одинаковыми по разме-
рам пьезоэлемеитов сре-
за xys/5°
Резонаторы ЖТ имеют ТЧХ, описываемые кубической зависи-
мостью от температуры. Очень малый ТКЧ в широкой области
температур получается при определенных значениях угла среза р
(~51°) и отношения ширины к длине (~ 0,859). Вид ТЧХ резо-
натора ЖТ изображен на рис. 8.10.
Рис. 8 10 Температурно-частотная ха
рактеристика резонатора ЖТ
Рис 8 11 Значения сопротивления
резонаторов продольных колебаний
от частоты
Эквивалентные параметры. Сопротивление. Значения
сопротивления резонаторов от частоты показаны на рис. 8.11. Соп-
ротивление обычно несколько возрастает с температурой. Темпера-
турный коэффициент сопротивления зависит от числа и расположе-
ния мест присоединения струн, количества и качества припоя и
обычно не превышает 0,4% 1/С при использовании бессвинцовисто-
го (оловянно-сурьмяного) припоя. Для вакуумных резонаторов ХТ
сопротивление может быть в пределах от 40 до 5000 Ом, для гер-
150
Резонаторы продольных колебаний
метичных— от 500 до 10 000 Ом. Для резонаторов, не имеющих
отражателей на струнах, характерны большие разбросы сопротив-
ления и нерегулярные изменения его от температуры. Резонаторы
с отражателями имеют небольшие разбросы сопротивления поряд-
ка 25%.
Индуктивность. Индуктивность резонаторов зависит от часто-
ты. О ее предельных значениях можно судить по графику на
рис. 8.12. Индуктивность зависит от угла среза ПЭ, размеров ПЭ
и электродов и связана с ними зависимостью L^-KiAs/b, где Kl —
Рис 8 12 Значения индуктивности
резонаторов продольных колебаний
от частоты
коэффициент индуктивности, зависящий от угла среза ПЭ и его
размеров I, Ь и $. Для резонаторов ХТ с узкими ПЭ значения Кь
составляют 9—10 Г/мм. Для резонаторов ХЕ он может быть в за-
висимости от отношения ширины к длине в пределах от 10 до
15 Г/мм. Если резонаторы имеют укороченные электроды, которые
используют для ослабления обертонов или для уменьшения емко-
стного коэффициента, индуктивность возрастает и ее увеличение
можно рассчитать, пользуясь выражениями для изменения индук-
тивности резонаторов крутильных колебаний (см. § 7.2). Для ши-
рокополосных кварцевых фильтров с катушками индуктивности
требуются резонаторы с возможно низкими значениями индуктив-
ности, для чего используют широкие ПЭ типов ХЕ и ХФ. Резона-
торы с низкими значениями индуктивности и малым ТКЧ — резо-
наторы ХЩ и ХП — могут иметь в 3—5 раз более низкие значе-
ния индуктивности, чем резонаторы ХТ, и более низкие, чем резо-
наторы ХЕ и ХФ.
Параллельная емкость. Значения емкости Со уменьшаются с
частотой и обычно заключаются в пределах от 12 до 7 пФ.
Добротность. Для вакуумных резонаторов добротность в
‘ зависимости от частоты и конструкции находится в пределах от
50-103 до 500-103. Герметичные резонаторы имеют меньшую доб-
ротность— от 20-Ю3 до 100-103.
Емкостный коэффициент. Резонаторы продольных ко-
лебаний имеют наименьший из всех кварцевых резонаторов емкост-
дый коэффициент —125. Это значение коэффициента имеют резона-
торы ХТ. У резонаторов ХЕ и ХФ емкостный коэффициент несколь-
ко больше—около 140. Такое же значение имеют и резонаторы со
сложными ПЭ — резонаторы ХЩ и ХП. Резонаторы МТ в зависи-
мости от угла среза и отношения размеров имеют емкостный коэф-
фициент от 180 до 250, а резонаторы ЖТ — 350.
Конструктивные данные
151
Уровень возбуждения. Предельно допустимый уровень
возбуждения принято считать по мощности равным 1 мВт. Однако
считают эту величину завышенной, и многие изготовители ограни-
чивают ее величиной, на порядок меньшей, т. е. 0,1 мВт. Рекомен^
дуется максимальную величину тока через кварц рассчитывать по
формулам /=250// и /=500//, где / — ток, мА, а / — частота, кГц.
Первая формула предназначена для частот до 170 кГц, вторая —
для более высоких частот.
Частота при увеличении
мощности рассеяния пони-
жается, а сопротивление ре-
зонаторов возрастает (рис.
8.13).
Старение. Величины
старения существенно опре-
деляются конструктивными
и технологическими факто-
рами и уровнем производ-
ства. В большинстве случаев
изготовители за гарантий-
ные нормы старения за вре-
мя 10—12 лет принимают
± (60—75) • 10-6 для герме-
тичных и ±30-10~6 для ва-
куумных резонаторов. Эти
Рис. 8.13. Зависимости изменений частоты
(/) и сопротивления (2) от мощности рас-
сеяния резонаторов XT
нормы следует считать за-
вышенными, рассчитанными на низкий уровень производства. Для
герметичных резонаторов с паяным корпусом зарубежные' фирмы
обычно гарантируют старение менее ±10-10-6 за первый год, а для
резонаторов с корпусами, соединенными холодной сваркой, и для
вакуумных резонаторов — менее ±5-10-6.
8.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса. Резонаторы выпускают герметичными в корпусах У И
в нестандартных удлиненных корпусах Б. .Вакуумные резонаторы
выпускают в корпусах Э, С и реже в корпусах Д и Ц. Последние
используют для резонаторов ХЕ и ХФ с широкими ПЭ на низкие
частоты. В зависимости от частоты используются разные типораз-
меры корпусов (табл. 8.2).
Кварцедержатели. Преимущественно используются
кварцедержатели в виде каркасов, редко — консольные.
Крепление пьезоэлементов. Крепление ПЭ осуществ-
ляют двумя или четырьмя проволочными держателями (обычно
струнами). Крепление двумя струнами в центрах широких граней
механически менее прочно и устойчиво. Крепление четырьмя стру-
нами более прочно и устойчиво.
Используют два варианта расположения точек крепления четырех
струн: поперечное и продольное (рис. 8.14). В последнем случае
крепление располагают в так называемых нейтральных точках, в
которых присоединение элементов крепления не влияет на частоту
[67]. Эти точки расположены на расстоянии 0,41 длины ПЭ от его
152
Резонаторы продольных колебаний
Таблица 8.2
Типоразмеры стеклянных корпусов резонаторов
продольных колебаний
Поддиапазоны частот, кГц Типоразмеры корпусов
Э С
50—60 Э82 С86
60—65 Э72 С74
65—75 Э72 С64, С74
75—85 Э62 С64
85—100 Э5 2 С54
100—150 Э47 С48
150—200 Э37 —
используют в устаревших
У
I)
Рис. 8 14 Расположение
мест крепления проволочных
держателей на грани ПЭ
а) центральное; б) попереч-
ное; в) продольное
концов. На держателях, как правило, располагают отражатели в
виде дисков, что обеспечивает более высокое значение добротнос-
ти, меньшие разбросы сопротивления и отсутствие нерегулярных и
значительных изменений последнего от температуры.
Механическая прочность и устойчивость. Наи-
менее прочны резонаторы с креплением ПЭ двумя струнами. Его
конструкциях резонаторов, работающих
в стационарных условиях, или в резона-
торах на частоты выше 150 кГц. Наибо-
лее прочны резонаторы с продольным
расположением держателей. Они способ-
ны выдерживать длительные вибрации
до 20 g на частотах до 5000 Гц и оди-
ночные удары до 500 g.
Резонаторы с креплением двумя дер-
жателями обладают невысокой' механи-
ческой устойчивостью и соответствуют
требованиям I и II групп условий экс-
плуатации ГОСТ 11599—67.
Следует иметь в виду, что у относи-
тельно тонких и длинных ПЭ частота из-
гибных колебаний может быть в преде-
лах частот внешних вибраций. В этих
случаях вибропрочность и виброустойчи-
вость резко снижаются. На частоты выше
100 кГц частоты изгибных колебаний ПЭ
могут быть выше 3000 Гц, и такие резо-
наторы могут быть использованы в усло-
виях воздействия вибраций. Обычно влияние механических воздейст-
вий-по IV группе условий эксплуатации ГОСТ 11599—67 вызывает
изменение частоты до ±10-10-6. В результате механических воздей-
ствий частота понижается. Могут быть как обратимые, так и необра-
тимые изменения частоты.
Число полюсов и частот. Резонаторы для фильтров
часто делают четырехполюсными, для чего электроды делят на две
пары узкими продольными или поперечными зазорами. Электроды
1)
Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы
153
могут быть как одинаковых, так и различных размеров. В первом
случае эквивалентные параметры обеих'половин одинаковы, во вто-
ром — различны. Такой четырехполюсный резонатор эквивалентен
двум резонаторам, частоты которых одинаковы. Индуктивность,
измеренная на одной паре выводов, вдвое больше полной индук-
тивности. При поперечном делении электродов используют продоль-
ное крепление держателей и, наоборот, при продольном делении —
поперечное крепление держателей. Иногда используют косое деле-
ние электродов, однако, если не учитывать кристаллографических
направлений осей, при таком делении могут быть различия индук-
тивностей резонаторов.
Выпускаются также двойные резонаторы в корпусах С и Э, в
которых установлены два ПЭ различной частоты.
Сведения о произв.о детве. Опыт производства резона-
торов продольных колебаний ХТ и ХЕ преимущественно в корпу-
сах С и Э имеют многие предприятия. Резонаторы ХШ, ХП, ШТ,
ШР изготовляются в порядке опытйого производства. Резонаторы
ЖТ выпускает ограниченное число предприятий, резонаторов МТ
отечественные предприятия не изготовляют.
8.4
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО РЕЗОНАТОРОВ
На электрические и эксплуатационные характеристики резонаторов
существенное влияние оказывает крепление резонаторов. Лучшие
характеристики имеют резонаторы с продольным креплением струн
в нейтральных точках. Наличие отражателей необходимо для обес-
печения низких значений сопротивления, исключения разбросов его
значений и непостоянства при изменениях температуры. Крепление
струн должно осуществляться дозированным бессвинцовистым при-
поем. Влияние состава припоя на температурные характеристики
сопротивления резонаторов продольных колебаний было показано
в разд. 4. Испытания резонаторов с таким припоем показало боль-
шую их механическую прочность и устойчивость и меньшее старе-
ние.
8.5
РЕЗОНАТОРЫ С ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТАМИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
Резонаторы ХЩ. В резонаторах этого типа с щелевыми ПЭ (см.
рис. 8.4) сочетаются преимущества резонаторов ХЕ (низкая индук-
тивность) и резонаторов ХТ (малый ТКЧ). Изготовление щелевых
ПЭ несложно и легко выполнимо при наличии станков для ульт-
развуковой резки, не требует увеличения расхода кварцевого сы-
рья. Сравнительные данные резонаторов ХЕ и ХЩ с ПЭ одинако-
вых размеров (30,4X15,1X0,8 мм) и среза (xt/s/5°) приведены в
табл. 8.3.
Из таблицы видно, что резонатор ХЩ имеет не только луч-
ший ТКЧ, чем резонатор ХЕ, но и лучший спектр побочных резо-
нансов.
154
Резонаторы продольных колебаний
Таблица 8.3
Сравнительные данные параметров резонаторов ХЕ и ХЩ
с ПЭ одинаковых размеров
Тип резо- натора Частота, кГц ТКЧсрХ Х10», 1/°С Точка ну- левого ТКЧ, °C ► Индуктив- ность, Г Доброт- ность , QX Ю~3 Частота ближай- шего по- бочного резонанса, кГц
ХЕ 89,904 6,0 —40 18,5 80 118,5
ХЩ 90,268 0,6 +23 21 ,0 60 180
Примечание. ТКЧср в интервале температур от 0 до 70° С.
Резонаторы ХП. Резонаторы с составными ПЭ предназначены
для использования в фильтрах и позволяют уменьшать индуктив-
ность соответственно числу составляющих их пластин. Поскольку
в них используются узкие пластины, ТКЧ которых мал, то их со-
вокупность имеет примерно такие же ТЧХ, что и отдельные пла-
стины. Резонаторы ХП имеют меньшие значения добротности — по-
рядка (10—30) • 103. Изготовление резонаторов ХП более сложно,
чем резонаторов ХЩ, и требует большего расхода сырья. Резона-
торы ХП более компактны, чем резонаторы ХЩ, и имеют те же
габариты, что и резонаторы XT.
8.6
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Резонаторы продольных колебаний используют преимущественно в
кварцевых фильтрах и управляемых по частоте кварцевых генера-
торах. Использовать их в КГ на фиксированные частоты не реко-
мендуется, так как они уступают по стабильности частоты резона-
торам крутильных колебаний, имеющим меньшие размеры и чувст-
вительность к уровню возбуждения.
8.7
ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Появившиеся конструкции резонаторов в плоских прямоугольных
корпусах от микросхем являются перспективными и более пригод-
ными для современной аппаратуры. Возможно использование таких
корпусов для резонаторов продольных колебаний. Эти корпуса поз-
воляют размещать в них два ПЭ, а в некоторых случаях и более.
Существенные преимущества в фильтрах дает использование ре-
зонаторов с ПЭ сложной формы — ХЩ, ХР и ШТ, освоение кото-
рых в серийном производстве не составляет существенных труд-
ностей.
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
155
9.
Резонаторы сдвиговых колебаний
(общие сведения)
Историческая справка. Резонаторы, ПЭ которых соверша-
ют колебания сдвига, образуют наиболее обширный и важный
класс. Они охватывают очень широкую часть радиотехнического
диапазона частот — от 100 кГц до 300 МГц, в связи с чем пример-
но 80% всего выпуска составляют резонаторы сдвиговых колеба-
ний. Они обладают высокой температурной стабильностью часто-
ты, превосходя в этом отношении резонаторы других типов. В со-
временных прецизионных резонаторах используются ПЭ сдвиго-
вых колебаний. Широкий диапазон перекрываемых частот обусло-
вил большое разнообразие видов срезов, форм и размеров ПЭ,
разновидностей (мод) возбуждаемых колебаний. Учитывая важ-
ность и распространенность этих резонаторов, изготовители посто-
янно ведут интенсивные исследования по улучшению их характе-
ристик и расширению диапазона частот.
Исторически первым в резонаторах нашел применение У-срез,
открытый Хейсингом (США) еще в конце 20-х годов, который, не-
смотря на очень большой ТКЧ — около 100-10~61/°С,— использо-
вался достаточно долго {18]. В настоящее время резонаторы У-сре-
'за иногда используют в качестве датчиков температуры.
Следующий шаг в улучшении ТКЧ был сделан Кога (Япония),
предложившим в 1932 г. срезы г и R, вырезанные соответственно па-
раллельно граням малого и большого ромбоэдров кварца. Они име-
ли в несколько раз меньший ТКЧ, чем резонаторы У-среза. Этот
результат стимулировал дальнейшие исследования, и уже через
два года в 1934 г. были обнаружены два среза толщинно-сдвиго-
вых колебаний с малым ТКЧ одновременно и независимо исследо-
вателями разных стран — Кога в Японии, Бехманом и Штраубе-
лем в Германии и Лэком, Файером и Уиллардом в США. Эти
срезы известны теперь как срезы АТ и БТ. Американские авторы
нашли еще два среза толщинно-сдвиговых колебаний, известные
как срезы АЦ и БЦ. Хотя их ТКЧ велик (20 -10—61/°С), но их от-
личают более простая форма колебаний и улучшенные спектраль-
ные характеристики. В настоящее время их иногда используют как
датчики температуры. Хайтом и Уиллардом (США) в 1937 г. бы-
ли обнаружены низкочастотные срезы контурно-сдвиговых колеба-
ний с малым ТКЧ — срезы ДТ и ЦТ, а позже Хайтом — срезы ЕТ
и ФТ. Многими авторами впоследствии были предложены различ-
ные модификации указанных выше срезов. Практический интерес
представляют модификации среза ДТ в виде удлиненных пластин
с определенными отношениями длины к ширине, которые имеют
лучшие электрические характеристики [76, 77]. Их применение поз-
волило существенно расширить диапазон частот и улучшить харак-
теристики резонаторов контурно-сдвиговых колебаний, которые в
настоящее время получили широкое распространение.
156
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
Известна также большая группа так называемых двухповорот-
ных срезов, ориентации которых имеют обозначения yxbl/y/fi (сре-
зы iu, ИТ, РТ, ФС и др.)- Некоторые из этих срезов можно рас-
сматривать как модификации соответствующих одноповоротных
срезов, например среза АТ, так как они имеют похожие ТЧХ.
Изыскания этих срезов были предприняты с целью уменьшения
температурной зависимости частоты. Однако двухповоротные сре-
зы не получили широкого распространения из-за сложности раз-
делки сырья и ориентации заготовок и особенно из-за ухудшения
спектральных характеристик.
Отечественные исследования сдвиговых колебаний стержней
позволили создать новые типы резонаторов с малым ТКЧ, извест-
ные как типы АП и БП.
Начиная с 60-х годов серьезные успехи были достигнуты в
области теории сдвиговых колебаний кварцевых пластин, позво-
лившие объяснить многие явления и существенно улучшить харак-
теристики резонаторов. Особенно следует отметить вклад Мортли
[69] и Шокли [70] в создании основ теории захвата колебаний. Ре-
зультаты этих исследований подробно изложены в работе Р. Хол-
ланда и Эрнисса [71].
Из всего многообразия практическое значение в настоящее
время имеют резонаторы ДТ, АП, иногда ЦТ, используемые на
частоты от 200 до 1500 кГц, и срезы АТ и БТ на частоты выше
1 МГц. Низкочастотные срезы ЕТ и ФТ из-за большого ТКЧ и
других недостатков утратили свое значение и используются редко.
Поэтому подробные описания характеристик резонаторов этих
срезов опускаются.
Особенности колебаний. Сдвиговые колебания по
сравнению с ранее рассмотренными видами отличаются существен-
но большей сложностью формы и множеством разновидностей
(мод). Разработки резонаторов сдвиговых колебаний потребовали
продолжительных и весьма сложных как теоретических, так и эк-
спериментальных исследований, прежде чем были достигнуты удов-
летворительные результаты. В настоящее время многие вопросы
теории сдвиговых колебаний разработаны достаточно полно, что
позволило существенно улучшить многие характеристики резонато-
ров.
По видам колебаний ПЭ делят на две основные группы: коле-
баний сдвига по шйрине или контурных колебаний и толщинно-
сдвиговых колебаний. Пьезоэлементы контурных колебаний ис-
пользуют в нижней части диапазона частот от 100 до 1000—
2000 кГц, а ПЭ толщинно-сдвиговых колебаний — от 400 кГц v
выше. Характерно разнообразие мод сдвиговых колебаний, в част-
ности так называемых ангармонических обертонов. Наличие ангар-
монических обертонов существенно отличает колебания сдвига от
других ранее рассмотренных видов. Наиболее простые формы ко
лебаний контурного сдвига и толщинно-сдвиговых колебаний уп
рощенно изображены на рис. 1.66 и в. Форма колебаний гармони
ческих обертонов толщинных колебаний схематично изображен?
на рис. 9.1.
Сложность формы и разнообразие мод сдвиговых колебаний
определяю! сложность спектра их частот и наличие значительного)
числа близких по частоте резонансов. Резонансы по своей приро*
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
157
де можно разделить на: «гармонические» обертоны основного ко-
лебания («гармоники»); ангармонические обертоны; сдвиговые ко-
лебания другого рода и их «гармонические» и ангармонические
обертоны; колебания других видов, связанные с колебаниями
сдвига.
Рис. 9.1 Вид деформации прц, возбуждении «гармониче-
ских» обертонов сдвига по толщине (третий обертон)
Частоты «гармонических» обертонов для тонких плоских плас-
тин и длинных прямоугольных стержней примерно в целое число
раз больше частоты основного колебания. Если рабочим колебани-
ем является «гармонический» обертон, то побочные резонансы этого
Рис. 9.2 Вид деформации при возбуж-
дении ангармонических изгибно-сдвиго-
вых мод сдвига (по толщине)’
а) основная мода (гп=п=р=1); б) мо-
да второго порядка (т=р=1; п = 3),
в) мода третьего порядка (т=р = 1;
Лт5). Пунктиром показаны узловые
линии смещений, стрелками — направ-
ления смещений
Рис 9 3 Вид деформации при воз-
буждении ангармонической кру-
тильно-сдвиговой моды второго по-
рядка (т=/г=1; р = 3)
рода будут расположены как выше (обертоны), так и ниже (ун-
тертоны) рабочей частоты. Интенсивно возбуждаются обычно
только гармонические обертоны нечетного порядка. Унтертоны
обычно более интенсивны, чем обертоны.
Ангармонические обертоны («ангармоники») представляют мо-
ды (разновидности) сдвиговых колебаний пластины, частоты кото-
158
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
рых близки и определяются одним и тем же волновым размером,
например толщиной или шириной, но характеризуются более слож-
ным движением Различие частот обусловлено различием порядка
колебаний, который устанавливается в направлениях, перпендику-
лярных волновому. На рис. 9.2 схематично изображены формы ко-
лебаний, т. е. деформации сдвига ангармонических колебаний раз-
ных порядков При колебаниях первого порядка все участки пла-
стины смещаются в одной и той же фазе (рис. 9.2а). Однако воз-
можны колебания, когда смещения частей пластины происходят в
противоположных фазах. На рис. 9 26 показана форма колебаний
второго порядка в направлении X. Возможны колебания и более
высоких порядков Например, на рис. 9 2в схематично изображена
форма колебаний третьего порядка в направлении X. Частоты ко-
лебаний более высоких порядков будут несколько выше частот
низших порядков вследствие того, что для них отношение между
кинетической и потенциальной энергиями колебаний уменьшается
[68] При колебаниях высоких порядков пластину можно разделить
на секции, в пределах которых фазы колебаний (деформаций, сме-
щений) одинаковы. Моды колебаний, показанные на рис. 9.2, назы-
вают изгибно-сдвиговыми, поскольку растянутым участкам одной
грани соответствуют сжатые участки противоположной ей грани,
как при изгибе
Возможны ангармонические колебания сдвига высших поряд-
ков, для которых форма колебаний несколько иная. На рис. 9.3
схематично изображена деформация пластины для колебаний вто-
рого порядка, напоминающая деформацию кручения, вследствие
чего и моды колебаний такого рода называют крутильно-сдвиго-
выми. При этом образуются секции, разделяющие пластину на
противофазные области в направлении Z'. С увеличением порядка
колебаний так же, как и в первом случае, частота повышается. В
пластинах, совершающих контурные колебания, возникают ангар-
монические изгибно-сдвиговые обертоны. При толщинных колеба-
ниях возникают ангармонические обертоны обоих видов.
При колебаниях на поверхности ПЭ образуются узловые ли-
нии, число которых зависит от порядка ангармонических оберто-
нов Ввиду того что частоты ангармонических резонансов мало от-
личаются от частоты рабочего резонанса, ослабление их связано с
серьезными трудностями.
Сдвиговые колебания другого рода отличаются тем, что де-
формации сдвига для них происходят в другой плоскости, обычно
перпендикулярной к плоскости сдвига рабочих колебаний. Напри-
мер, если контурные колебания используются как рабочие, то
толщинные колебания будут называться сдвиговыми колебаниями
другого рода и наоборот
Частота «гармонических» и ангармонических обертонов могут
быть рассчитаны по формуле
тЛЧ Г
fmnp — 1 -+
s L
Nn2 Pp2j
т2 т2 ]’
Здесь Xf — частотный коэффициент; N и Р — безразмерные коэф-
фициенты, зависящие от констант упругой жесткости, отношений
контурных размеров ПЭ к его толщине, формы ПЭ и некоторых
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
159
других факторов; т, п, р — нечетные целые числа, определяющие
порядок «гармонических» и ангармонических обертонов вдоль осей
X и Z соответственно. Например, определяет ангармонический
обертон второго порядка вдоль оси X", /ц5 — ангармонический обер-
тон третьего порядка вдоль оси Z' и т. д.
Форма сдвиговых колебаний характеризуется неравномерностью
распределения амплитуд механических напряжений и смещений.
Средняя часть ПЭ совершает более интенсивные колебания, к кра-
ям же амплитуда колебаний уменьшается, и распределение ампли-
туд имеет колоколообразную форму (см. рис. 1.12). Подобный ха-
рактер распределения напряжений и смещений наблюдается у
пластин, контурные размеры которых много больше (более чем в
20—30 раз) размера, определяющего частоту. В этих случаях амп-
чч
I .
Рис. 9 4 Эпюра ампли-
туд смещений при коле
баниях сдвига по толщи-
не пластины с неболь
шим (менее 10) отноше-
нием длины к толщине
Рис 9 5 Неоднородный электрический волновод,
иллюстрирующий явление «захвата» колебаний в
ПЭ толщинно сдвиговых колебаний
ли^уды колебаний на краях ПЭ уменьшаются во много раз, что
позволяет осуществлять их крепление за края. При меньших отно-
шениях контурных размеров наблюдается периодическая неравно-
мерность амплитуд колебаний, характерный вид которой показан
на рис. 9.4. При этом амплитуды колебаний на краях ПЭ оказы-
ваются достаточно интенсивными и краевое крепление вносит за-
метное затухание.
Явление захвата колебаний. Пластина (или стер-
жень), возбуждаемая электродами, покрывающими большие гра-
ни пластины, т. е. равномерно распределенными силами, тем не ме-
нее более интенсивно колеблется в средней части, чем вблизи кра-
ев. Это явление выражено более сильно у тонких пластин (с боль-
шим отношением длины к толщине). Эта особенность сдвиговых
колебаний была известна давно и практически использовалась при
решении вопросов о креплении ПЭ. Было также известно, что ис-
пользование электродов, нанесенных только в средней части плас-
тины, усиливает явление локализации колебаний, ограничивая их
практически областью, расположенной под электродами. Отчетливо
это явление проявляется при толщинно-сдвиговых колебаниях пла-
стин с отношением длины к толщине более 30 (см. рис. 1.12).
Впервые теоретически это явление было изучено и объяснено Морт-
ли (Англия) еще в 4Q-x годах, исходя из волноводной природы
распространения упругих колебаний в плоскости пластины [69].
160
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
Наблюдающуюся резко выраженную локализацию толщинно-сдви-
говых колебаний в пределах электродов, очень быстрое затухание
за их пределами оказалось удобным объяснить аналогией с элек-
трическим волноводом. На рис. 9.5 изображен неоднородный элект-
рический волновод, имеющий утолщенный участок толщиной а и
длиной /, с обеих сторон которого расположены участки меньшей
толщины 01. В среднем участке волновода возможно распростране-
ние электромагнитной волны типа ТЕ на частотах выше частоты
отсечки й)0=л;с/а. Ниже этой частоты волны не возникают и не
распространяются. Для тонких участков волновода частота отсеч-
ки будет выше и равна <по1=лс/01, следовательно, на этих участ-
ках могут распространяться волны с частотами только выше (ооь
При возбуждении в утолщенной части волновода колебаний с ча-
стотой в пределах от <в0 до <Ooi последние, распространяясь по
длине, будут отражаться от границ изменения сечения волновода,
поскольку они распространяться по тонким участкам не могут,
так как их частоты ниже частоты отсечки <о0ь Пьезоэлемент с ло-
кальными электродами представляет механический неоднородный
волновод, аналогичный описанному выше электрическому волново-
ду, в котором электроды утолщают сечение последнего и создают
условия для отражения колебаний от краев электродов и локали-
зации их в объеме пьезоэлектрика, расположенного под электрода-
ми. Параметры электродов — их длина, толщина и масса — сущест-
венно определяют спектральную характеристику резонатора. При
определенной длине электрода на частоте, несколько большей <о0»
могут возникнуть стоячие волны, определяющие резонанс на час-
тоте (Оь Могут возникать резонансные колебания и на более высо-
ких частотах, чем (щ, однако на частотах выше соО1 стоячие вол-
ны возникать не будут, так как условия захвата колебаний не вы-
полняются (волны от краев электродов не отражаются, и возбуж-
даемые колебания распространяются за пределы подэл’ектродной
области). Уменьшая размеры электродов с тем, чтобы в них укла-
дывалась половина стоячей волны, и толщину электродов с тем,
чтобы разность частот отсечки co0i и со о была мала, можно создать
условия для «захвата» только одной частоты. Иными словами, яв-
ление «захвата» является эффективным средством улучшения
спектральных характеристик резонаторов.
Имеются ограничения по реализации эффективного «захвата».
На высоких частотах ограничения обусловлены трудностями осу-,
ществления электродов очень малой массы. Требуемые по услови-
ям «захвата» колебаний толщины электродов оказываются настоль-
ко малыми, что перестают выполнять свои функции из-за малой
проводимости или ее отсутствия.
На частотах ниже 4 МГц ограничения обусловлены необходи-
мостью использования пластин больших размеров для обеспечения
отношения длины к толщине более 30. Поэтому на частотах до
4 МГц издавна применяют ПЭ с фасками или линзообразной фор-
мы. Как показали исследования [72], при придании ПЭ* линзооб-
разной формы также имеет место захват колебаний, обусловленный
кривизной сферического профиля ПЭ и порядком обертона возбуж-
даемого колебания. Локализация колебаний тем больше, чем мень-
ше радиус сферы ПЭ и выше порядок обертона. Как в случае
плоских пластин недопустима большая разность частот coOi и (о0
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
161
для обеспечения условий захвата колебаний, так и для линзооб-
разных ПЭ недопустима чрезмерная крутизна сферы. Линзообраз-
ная форма уменьшает контурные размеры ПЭ и влияние крепле-
ния на характеристики резонаторов.
Использование теории захвата колебаний позволило существен-
но улучшить параметры резонаторов, ослабить побочные резонан-
сы, обусловленные ангармоническими обертонами, и осуществить
на одной пластине несколько резонаторов, изолированных друг от
друга или механически связанных между собой.
Рис. 9.6. Продольный
вернутого Т-среза
(а) н поперечный (б)
пьезоэффект в пьезоэлементе по-
Возбуждение колебаний. Сдвиговые колебания мож-
но возбудить в кварцевой пластине любой ориентации, однако
срезы с малым ТКЧ относятся к семейству так называемых по-
вернутых У-срезов. Число известных срезов сдвиговых колебаний
достигает 20. В У-срезах, повернутых вокруг оси X, колебания
сдвига возбуждаются компонентами поля, перпендикулярными оси
X (Е'у и E'z). При этом деформации сдвига обусловлены пьезомо-
дулями d'25 и сГгв- Рассмотрим возбуждение деформаций сдвига в
ПЭ повернутого У-среза более подробно.
На рис. 9.6 изображен ПЭ в виде параллелепипеда, одно из
ребер которого совпадает с направлением оси X кварца. Электри-
ческое поле, перпендикулярное оси X, возбуждает компоненты нап-
ряжений и деформаций сдвига в плоскостях граней, параллельных
оси X. Электрическое напряжение, приложенное к паре электродов
на противоположных гранях ПЭ, вызовет деформацию сдвига как
в плоскости этих граней (продольный пьезоэффект), так и в пло-
скости перпендикулярных граней (поперечный пьезоэффект). При
возбуждении ПЭ переменным напряжением возникают два резо-
нанса, обусловленных отражениями волн сдвига от разных пар
противоположных граней. При уменьшении размера у' параллеле-
пипед превращается в пластину, в которой электрическое поле Е'*
возбуждает два вида колебаний: контурные, при которых дефор-
мации сдвига происходят в плоскости широких граней, а распрост-
162
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
ранение упругих волн — в направлении ширины (размера z'), и
толщинные, при которых деформации сдвига возникают в плоско-
сти узких граней, перпендикулярных z', а распространение упругих
колебаний происходит в направлении размера t/', т. е. толщины
ПЭ. В первом случае отражение упругих волн происходит от уз-
ких граней, во втором — от широких граней.
Для возбуждения колебаний сдвига в пластинах обычно ис-
пользуют пару электродов, нанесенных на их широкие грани. Для
возбуждения ПЭ, имеющих форму стержней, используют две па-
ры электродов, расположенных на боковых гранях. Смежные элек-
троды попарно соединяют между собой. Для возбуждения тол-
щинных колебаний используют электроды уменьшенной площади
круглой или прямоугольной формы, расположенные в средней час-
ти широких граней. Размеры и форма электродов разнообразны и
определяются частотой и требованиями к другим электрическим
параметрам.
Срезы и пьезоэлементы. Число известных срезов, в ко-
торых возбуждаются колебания сдвига, превышает 20, из них
практическое применение нашли менее десяти. Все эти срезы от-
носятся к семейству повернутых У-срезов, причем наиболее употре-
бительными являются одноповоротные срезы с поворотом вокруг
оси X.
На рис. 9.7 схематично изображены ориентации семейства од-
ноповоротных У-срезов, а на рис. 9.8 показана ориентация пласти-
ны двухповоротного среза yxbllylfy. Наиболее известные срезы
сдвиговых колебаний приведены в табл. 9.1, где указаны их обоз-
начения, углы срезов, вид колебаний и область применения.
Пьезоэлементы контурных колебаний имеют форму прямо-
угольных, квадратных и круглых пластин, а ПЭ толщинных коле-
баний — форму прямоугольных и круглых пластин. В последнее
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
163
Таблица 3.1
Виды срезов резонаторов сдвиговых колебаний
Условные обозна- чения, принятые Ориентация Разновидности колебаний сдвига Примечания
4» спра- вочни- ке за рубежом
АТ АТ yxl/35° yzb/35° По толщи- не, использу- ются гармо- нические обертоны Пластины прямоуголь- ной и круглой форм, линзы
БТ ВТ yxl/—48° yzb/—4 8° То же То же
ДТ DT yxl/—52° yzb/—32° Контурно- сдвиговые Пластины ква- дратной, пря- моуюльной н круглой формы
ДТ SL, DT yxl/—52° По ширине Пластины прямоуголь- ной формы с 5/1=0,23 или менее
ЦТ СТ yxl/38° Контурно- сдвиговые Пластины квадратной н круглой
‘ЕТ ЕТ yxl/&7° Второй обертон кон- турных коле- баний форм То же
ФТ FT yxl/—57° То же >
АП yxl/—45° Связанные контурно- сдвиговые колебания косого сдвига Стержни прямоуголь- ного сечения с s/Ъ =» 1
БП — yxl/— 45° То же То же
ИТ IT yxbl/± 19'06735° По толщи- не Прямо- угольные и круглые пла- стины, линзы
РТ RT yxbl/±l 5°/-34° То же То же
VI V, pxW/±5735° >
V2 v, - yxbl/±5°/-4 8°
ФЦ FC yxbl/ +15°/35°
ТС — yxbl/±13°54'/—33°
ТД 1 1 yxbl/±23°25’/35°
дп — yxbl/± 13°54'/35° »
Примечания: 1. Углы среза указаны номинальные. В завнснмостн от
требований, «частоты, формы ПЭ реальные значения могут отличаться от но-
минального на 1—3°. 2. Срезы Y и АЦ и БЦ как не использующиеся в на-
стоящее время из таблицы исключены.
время нашли применение ПЭ в виде стержней прямоугольного се-
чения. Для улучшения различных характеристик ПЭ часто придают
более сложную форму. Например, ПЭ контурных колебаний снаб-
жают скосами или придают форму круговых сегментов, а ПЭ тол-
164
Резонаторы сдвиговых колебаний (общие сведения)
щинно-сдвиговых колебаний осуществляют в виде дисков с фаска-
ми или плоско- и двояковыпуклых линз. На рис. 9.9 показаны ПЭ
наиболее употребительных форм, а также форма электродов.
Классификация. Резонаторы сдвиговых колебаний раз-
личают по видам колебаний и срезов. Эти признаки являются ос-
новными для их классификации. Далее идут различия формы ПЭ
и связанных с этим конструктивных особенностей крепления ПЭ и
корпусов.
Рис 9 9 Формы пьезоэлементов и электродов резонаторов сдвиговых колеба-
ний слева — ПЭ контурных колебаний, справа — ПЭ толщинных колебаний
По видам колебаний резонаторы делят на резонаторы контур-
ных колебаний и резонаторы толщинно-сдвиговых колебаний.
В резонаторах контурных колебаний используют срезы ДТ,
ЦТ, ФТ, ЕТ, АП, БП.
Общие сведения
165
В резонаторах толщинных колебаний используют срезы АТ,
БТ и двухповоротные срезы ИТ, РТ, ТС, ФС и др. Срезы Y, АЦ
БЦ в настоящее время иногда используют в резонаторах—датчиках
температуры
По видам крепления различают резонаторы с зажимным креп-
лением ПЭ и с паяным креплением ПЭ.
По другим существенным конструктивным признакам различа-
ют резонаторы:
с двумя или более отдельными ПЭ в общем корпусе; четырех-
полюсные резонаторы, с несколькими изолированными резонатора-
ми на одной пластине, с двумя механически связанными резонато-
рами на одной пластине.
Ввиду больших различий характеристик резонаторов сдвиго-
вых колебаний в дальнейшем рассмотрение осуществляется по ви-
дам срезов, причем группа резонаторов двухповоротных срезов
толщинных колебаний рассмотрена в одном разделе.
10.
Резонаторы ДТ и другие резонаторы
контурно-сдвиговых колебаний
10.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. Резонаторы этого типа известны
давно [75]. Они подробно исследованы, причем в последние годы
усилиями многих исследователей, преимущественно советских, .бы-
ли достигнуты успехи, позволившие расширить диапазон их час-
тот и улучшить многие характеристики [76, 77] Малый ТКЧ обу-
словил использование резонаторов ДТ на частотах 300—800 кГц,
где они практически вытеснили другие типы резонаторов контур-
ных колебаний (ЦТ, ЕТ) и резонаторы АТ, габариты которых за-
метно больше.
Особенности колебаний. Удовлетворительные характе-
ристики резонаторов имеют место при определенных отношениях
размеров ПЭ, в первую очередь ширины к длине [75—77]. Эти от-
ношения ширины к длине, при которых колебания имеют наиболь-
шую активность, а ближайшие побочные резонансы наиболее ос-
лаблены, равны 1,0; 0,4; 0,23; 0,17; 0,14; 0,11 и т. д
Частота квадратных и прямоугольных (с небольшим удлине-
нием) ПЭ зависит от обоих размеров — ширины и длины. Частота
удлиненных ПЭ (с отношением ширины к длине менее 0,23) зави-
сит от ширины. Смещения при колебаниях происходят в направле-
нии оси X, а колебания сдвига ’распространяются в плоскости ши-
роких граней. Цногда для улучшения спектральных характеристик
или для возбуждения тех или иных обертонов используют элект-
роды сложной формы (укороченные и разделенные электроды).
166
Резонаторы контурно-сдвиговых колебании
Срезы и пьезоэлементы. Срез ДТ принадлежит к се-
мейству повернутых У-срезов (см. рис. 9.7). Плоскость среза нак-
лонена к оси Z лод углом —52° и составляет с гранью большого
ромбоэдра кварца угол около 14°. Обозначения среза ух1/—52°
или yzbj—52°. Преимущественно используются ПЭ среза ух1/—52°,
так как ПЭ среза yzb!—52° менее удобны при разрезке кристал-
лов и требуют большего их расхода. Значение угла среза может
отличаться от —52° в зависимости от требований к положению точ-
ки нулевого ТКЧ, формы и отношений размеров ПЭ и других
факторов.
Пьезоэлементы имеют форму прямоугольных, квадратных, ре-
же круглых пластин. В последнее время для улучшения некото-
рых характеристик используют ПЭ более сложной' формы, напри-
мер в виде прямоугольных пластин с фасками [78, 79] или в виде
круговых сегментов [80, 81] (см. рис. 9.9).
10.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. В большинстве каталогов и руководств
нижней границей диапазона частот указывают 100 кГц. Однако
размеры ПЭ на частоту 100 кГц таковы, что его можно поместить
только в корпус типа Ц или Д. Для современной аппаратуры та-
кие размеры неприемлемы, поэтому нижней границей диапазона в
настоящее время принято считать 200 кГц. За верхнюю границу
еще недавно принимали 400—500 кГц, однако в настоящее время
предприятия освоили выпуск этих резонаторов на частоты до
700 кГц, что считают верхней границей диапазона их частот. Ис-
следования по минитюризации резонаторов позволяют предпо-
лагать, что эта граница в самое ближайшее время достигнет час-
тот выше 1 МГц.
Спектр частот. Частотный спектр резонаторов типа ДТ
отличается большой сложностью. Наблюдается большое число по-
бочных резонансов вблизи рабочей частоты. Эти резонансы обусло-
влены наличием соседних мод контурного сдвига. У резонаторов
квадратной, круглой и прямоугольной форм с большими отношени-
ями ширины к длине спектр частот простой, и близкие побочные
резонансы расположены дальше от рабочей частоты. Резонаторы
с длинными прямоугольными ПЭ имеют более сложный спектр, и
побочные резонансы расположены ближе. У квадратных и круглых
ПЭ ближайшие побочные резонансы отстоят на ±40% от рабочей
частоты, а у прямоугольного ПЭ с отношением ширины к длине
0,40 они отстоят уже на 15—20%. С уменьшением отношения ши-
рины к длине прямоугольных ПЭ промежуток между рабочим и
побочным резонансами значительно сокращается. Наблюдаются
также резонансы, обусловленные связью с обертонами различных
низкочастотных колебаний, прежде всего изгибных колебаний по
толщине, а также продольных и крутильных колебаний. При слу-
чайном сближении частот низкочастотных колебаний других видов
с рабочей побочные резонансы резко возрастают и становятся осо-
бенно опасными Такое нежелательное взаимодействие наблюдается
при изменении температуры в виде аномальных изменений частоты
и сопротивления (провалы активности).
Электрические характеристики
167
Зависимость частоты от температуры. С доста-
точной для практики точностью зависимость частоты от темпера-
туры можно считать квадратичной для области температур от
—50 до 100°С. Квадратичный коэффициент а2 принимает значения
от 1,5-Ю-8 до 2,5-10-8 1/(°С)2 и зависит от угла среза и геомет-
рических характеристик ПЭ. Меньшие его значения имеют место
для ТЧХ, точка То которых расположена в области высоких тем-
ператур 70—80°С. Для ТЧХ с точкой То при нормальной темпера-
туре значение а2=2-10-8 1/(°C)2. Значение а2=2,5-10-8 1 (°C)2 обыч-.
но принимают в качестве расчетного. Температурно-частотная ха-*
рактеристика несимметрична, правая ветвь несколько положе левой,
однако это различие невелико и обычно не принимается в расчет.
Положение точки То зависит от угла среза и повышается с
увеличением последнего. Положение То зависит также от формы
ПЭ, отношения его размеров, расположения мест крепления и дру-
гих факторов. Изменением угла среза положение То можно изме-
нять в широких пределах от отрицательных температур до темпе-
ратур выше 100°С. Изготовители могут гарантировать разброс па-
раметра То в пределах ±5°С.
Эквивалентные параметры. Индуктивность. Зависит
от формы ПЭ, размеров и их отношений, порядка моды возбуждае-
мого колебания и других факторов. Для ПЭ определенной формы
и ориентации индуктивность Li=K.lS, где $ — толщина, а Кь — ко-
эффициент индуктивности, зависящий от формы и отношений кон-
турных размеров ПЭ, формы и отношений размеров электродов. В
та'бл. 10.1 и на рис. 10.1 приведены значения Kl и индуктивности
для резонаторов с ПЭ разной формы и пределы изменения индук-
тивности таких резонаторов.
Таблица 10.1
Параметры резонаторов ДТ различных модификаций
Поря- док моды Форма пьезоэлемента Отношение ширины к длине Частотный коэффици- ент, кГц-мм Коэффици- ент индук- тивности , Г/мм Диапазон частот, кГц Индуктив- ность, Г
1 Круглая 2470 49 ,0 200—250 15—50
1 Квадратная 1 ,0 2070 55,0 200—300 16—55
2 Прямоуголь- ная 0 ,41 1860 28,0 200—500 8—30
3 » 0,23 1720 17 ,5 300—600 5—18
4 » 0,17 1705 13,0 400-800 4—13
5 » 0,142 1700 11 ,0 400—800 3—11
6 » 0,111 1680 8,5 400—800 2,5—9
7 0 ,093 1670 7 ,5 400—800 2—8
€ Прямоуголь- ная с фасками 0,111 1710 10 ,0 400—1000 5—20
— Сегментная, Яс = 200 мм 0 ,069 1723 8,0 400—1000 3—20
Сопротивление. В зависимости от расположения и конструк-
ции крепления имеет значения от нескольких десятков до 1000 Ом.
Для резонаторов с креплением в центре граней ПЭ сопротивление
168
Резонаторы контурно-сдвиговых колебаний
заметно, в 2—3 раза, возрастает с температурой; крепление же
вблизи концов ПЭ практически обеспечивает его постоянство.
Добротность. Для герметичных резонаторов добротность
составляет (50 — 200)-103. У вакуумных она выше в
среднем в 2—3 раза и колеблет.ся в пределах (100—500)-103. На
частотах выше 600 кГц добротность меньше, чем на более низких
частотах. У резонаторов с сегментными ПЭ добротность достигает
(500—1000) -103 даже на частотах около 1 МГц.
Емкостный коэффициент. На частотах до 500 кГц —
около 400 и на более высоких частотах 500.
Уровень возбуждения. Предельно допустимая мощ-
ность рассеяния 2 мВт. С увеличением тока частота резонатора
уменьшается, следуя примерно квадратичной зависимости от тока.
Токовые характеристики существенно различны у резонаторов с
разной формой ПЭ и типом крепления. Установлено, что у резо-
наторов на вйсокие частоты с узкими, длинными ПЭ нагрузка
больше влияет на частоту. Резонаторы с креплением ПЭ в центре
граней также более чувствительны к нагрузке. Нагрузки, близкие
к предельной, нередко вызывают необратимые изменения частоты,
увеличение сопротивления и нерегулярность характера его измене-
ня при изменении температуры.
Старение. В значительной мере определяется конструктив-
ными и технологическими факторами, и изготовители гарантируют
нормы, существенно различающиеся по величине. Для герметич-
ных резонаторов в корпусах типа У гарантируют изменение часто-
ты ±75-10~6 за 12 лет [12]. Частота герметичных резонаторов со
временем обычно понижается. Приведенная выше относительно
большая величина старения объясняется конструктивными недос-
татками и невысоким уровнем технологии производства.
Для вакуумных резонаторов в корпусах типа Э старение за
несколько лет не превышает (10—15) • 10_6, что гарантирует старе-
ние ±25-10-6 за 10—12 лет. У резонаторов с ПЭ в виде сегментов
и резонаторов с прямоугольными ПЭ и малыми отношениями ши-
рины к длине (с краевым креплением ПЭ) наблюдались заметно
меньшие изменения частоты — не более (1—2) • 10—6 за несколько
лет. Отмечается [47], что из всех низкочастотных типов резонато-
ров резонаторы ДТ с колебаниями по ширине имеют наиболее
низкую скорость старения -~1,5-10-6 в год (в металлическом кор-
пусе с холодной сваркой).
10.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса. Резонаторы ДТ выпускают герметичными в корпусах
типов У и Б и вакуумными в корпусах типов С и Э. Корпуса ти-
па С используют для резонаторов на частоты 200—300 кГц. На
частоты выше 300 кГц используют корпуса типа Э. Для микро-
электронной аппаратуры возможно использование плоских корпу-
сов от микросхем для горизонтального монтажа и специальных
корпусов для микрорезонаторов.
Резонаторы ДТ выпускают двухполюсными. Используя соот-
ветствующее деление электродов, можно создать трех- и четырех-
Рекомендации по применению
169
полюсные резонаторы. Выпуск двойных резонаторов (в ' общем
корпусе) не практикуется.
Крепление пЪезоэлементов. Пьезоэлементы крепятся
проволочными держателями (струнами). Для крепления ПЭ квад-
ратной, круглой и прямоугольной форм используют два держате-
ля, припаянных в геометрическом центре широких граней. Для
крепления удлиненных прямоугольных ПЭ используют четыре дер-
жателя, припаянных в узловых точках вблизи концов ПЭ. Крепле-
ние в центре граней оказывает намного большее влияние на час-
тоту, ТКЧ и другие параметры, чем крепление в узловых точках
вблизи концов ПЭ. Некоторые предприятия устанавливают отра-
жатели на проволочных держателях, что существенно уменьшает
затухание и разбросы параметров. Поэтому резонаторам с удли-
ненными ПЭ, которые крепятся вблизи концов, обычно отдают
предпочтение. Крепление четырьмя держателями более прочно и
устойчиво к механическим и другим внешним воздействиям.
Крепление ПЭ с фасками и сегментной формы осуществляют на
концах ПЭ.
Механическая прочность и устойчивость. Резо-
наторы с креплением двумя держателями в центре граней ПЭ от-
личаются разбросами электрических параметров, в частности точ-
ки нулевого ТКЧ, низкой механической прочностью и устойчивостью
к импульсным и вибрационным механическим нагрузкам. Воздейст-
вие вибраций порядка 10—15g- нередко вызывают у таких резона-
торов необратимые изменения частоты порядка ±(10—20)-10-6.
Механические воздействия обычно вызывают понижение частоты.
Заметно большей прочностью и в 5—10 раз большей устойчи-
востью обладают резонаторы с краевым креплением ПЭ четырьмя
держателями.
Сведения о производстве. Резонаторы ДТ достаточно
хорошо изучены, опыт их производства на частоты до 400 кГц
имеет большинство предприятий. Однако далеко не везде исполь-
зуют лучшие конструктивные решения и имеют опыт их производ-
ства на частоты выше 400 кГц. Резонаторы с ПЭ сегментной фор-
мы и с фасками освоены в опытном производстве, однако выпол-
ненные исследования дают основание рекомендовать их для внед-
рения в серийное производство.
10.4
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Резонаторы ДТ следует использовать в генераторах и фильтрах на
частоты от 200 до 800 кГц, работающих в широком интервале из-
менения температуры, к стабильности частоты которых предъявля-
ются повышенные требования.
Следует предпочитать резонаторы с прямоугольными ПЭ, с
краевым их креплением и отражателями.
170
Резонаторы контурно-сдвиговых колебаний
10.5
ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ
КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Исследования, выполненные за последние годы, позволили достичь
существенных улучшений характеристик резонаторов типа ДТ и
далеко подвинуть верхнюю границу диапазона их частот. Эти дос-
тижения основаны на использовании:' прямоугольных ПЭ удлинен-
ной формы с возбуждением рабочих мод сдвига высоких порядков
100 300 1000 кГц
Рис 101. Области возмож
ных значений индуктивности
для резонаторов
1 — ДТ; 2 — ЦТ
и крепления, отнесенного на конечные
участки ПЭ и снабженного отражателя-
ми, прямоугольных ПЭ, имеющих с од-
ной или двух сторон пологие фаски или
скосы; пьезоэлементов, имеющих форму
кругового сегмента.
Во всех случаях достигается сущест-
венное уменьшение влияния крепления,
так как оно осуществляется в точках, где
напряжения незначительны. В наиболь-
шей степени влияние крепления устраня-
ется в ПЭ сегментной формы Поэтому
добротность резонаторов с ПЭ сегмент-
ной формы выше, а старение меньше, чем
у резонаторов с прямоугольными ПЭ
Перспективны резонаторы с колеба-
ниями сдвига высших порядков (на «гар-
монических» обертонах). Использование
обертонов позволит расширить диапазон
частот резонаторов ДТ до 3 МГц и соз-
дать на их основе микрорезонаторы.
Достаточно близкие побочные резонансы,
являющиеся препятствием для использо-
вания резонаторов в некоторых типах
фильтров, могут быть ослаблены на 40—50 дБ, если использовать
электроды специальной формы и демпфирующие элементы. В табл.
10 2 приведены параметры резонаторов с ПЭ сложных форм.
10.6
РЕЗОНАТОРЫ ДРУГИХ СРЕЗОВ КОНТУРНО-СДВИГОВЫХ
КОЛЕБАНИЙ
Практическое применение, кроме резонаторов ДТ, нашли резонато-
ры ЦТ (срезы ух1]3%° и угЬ/ЗЗ0) и резонаторы ЕТ и ФТ (срезы
yxlfbtf и yxl]—57° соответственно), в ПЭ которых возбуждаются
контурно-сдвиговые колебания.
Пьезоэлементы резонаторов ЕТ и ФТ обычно представляют
квадратные или круглые пластины, в которых возбуждается вто-
рая мода колебаний сдвига, характерная* ’тем, что в направлении
каждого контурного размера укладываются две полуволны. При
этом возбуждаются более интенсивные колебания основной моды
сдвига, частота которой ниже рабочей. Поэтому при использовании
Параметры резонаторов ДТ с ПЭ сложных форм
Таблица 10 2
Частота, кГц Номер обертона Форма ПЭ Размеры ПЭ, мм Угол среза Точка ну- левого ткч, °C Индуктив- ность, Г Сопротив- ление, Ом Доброт- ность, QX10-6
радиус ширина длина толщина
600 1 Сегмент 100 2,96 30 1 ,1 —49°52' 31 12,04 70 0,65
587 1 < 200 2,96 30 1 .1 —49°49' 25 10,4 60 0,63
600 1 < 100 2 ,96 30 0,8 —50° 13 8,6 50 0 ,65
1808 3 < 100 2,81 30 0,8 —48°44' 28 15,4 220 0,79
2405 3 < 300 2,09 25 0,81 —50° — 9 ,0 300 0 ,45
1271 3 « 300 3,98 30 0,81 —50° 34 13,6 100 1 ,ю
1000 1 < 200 1 ,72 25 0,8 —50° 50 6,25 55 0,70
512 666 1 1 ы Прямоугольная с фасками То же — 3,27 2,5 30 30 0,7 0,8 1 1 СИ сл "о » 30 25 9,0 6,8 ' 250 200 0,115 0,14
551 ,5 1 < — 3,12 28 0,865 —50° 16 10,6 265 0,15
412 1 < — 4,184 37,7 0,6 —50°30' 50 8,2 108 0,22
776 1 < — 2,24 20,2 0,578 —50°30' 73 5,4 350 0,17
Резонаторы других срезов контурно-сдвиговых колебаний
172
Резонаторы контурно-сдвиговых колебаний
резонаторов ЕТ и ФТ в генераторах необходимо применять изби-
рательные схемы. Поскольку в резонаторах ЕТ и ФТ используют-
ся обертоны контурных колебаний, их частоты несколько выше ча-
стот резонаторов ДТ и ЦТ. Резонаторы ЕТ и ФТ использовали на
частотах от 500 до 1000 кГц. Их ТЧХ — квадратичные параболы,
коэффициент а2 которых может быть в пределах (4,5—6,5) • 10_5
1/(°С)2. Активность колебаний невелика. Емкостный коэффициент
большой, около 1500—1800. Указанные недостатки ограничивали
использование резонаторов ЕТ и ФТ, и в настоящее время их из-
готовляют редко. Отечественные предприятия эти резонаторы не
выпускают.
Резонаторы ЦТ во многом сходны с резонаторами ДТ. В них
используются ПЭ круглой, квадратной и прямоугольной форм. В
последнем случае используют определенные отношения ширины к
длине ПЭ с тем, чтобы максимально ослабить побочные резонан-
сы и достичь меньших значений сопротивления и индуктивности.
По сравнению с резонаторами ДТ они имеют худшую температур-
ную стабильность частоты. Их ТЧХ — квадратичные параболы, ко-
эффициент а2 которых может быть в пределах (5—7) • 10'81/(°С)2.
Они имеют в 2—3 раза более низкие значения индуктивности и
меньший емкостный коэффициент (350), что является их преиму-
ществами. Частотный спектр примерно такой же, как и у резона-
торов ДТ.
Однако большой ТКЧ резко ограничивает возможности исполь-
зования резонаторов ЦТ в современной аппаратуре. Их выпуска-
ют немногие предприятия в ограниченном числе. В новых разработ-
ках их не рекомендуется использовать.
В табл. 10.3 приведены типичные параметры резонаторов ЕТ,
ФТ и ЦТ.
Таблица 10.5
Параметры резонаторов ЕТ, ФТ и ЦТ
Срез Поря- док моды форма ПЭ Отношение ширины к длине ПЭ Диапазон частот, кГц Коэффициент индуктивно- сти, Г/мм Перекры- ваемый диапазон индуктив- ности, Г
ЕТ yxl/88° 2 Квадратная 1 300—800 45 13—45
ФТ yxl/— 57° 2 1 200—600 36 1 1—35
ЦТ л/х//38° 1 Круглая ' — 1 50—400 19 6—20
ЦТ yxl/38° 1 Квадратная 0 ,98 120—300 24 7—25
ЦТ yxl/38° 2 Прямоуголь- ная 0 ,40 200—500 12 3,5—12
ЦТ yxl/38° 3 > 0,256 300—700 7 ,3 2—8
ЦТ yxl./38° 4 > 0,190 400 — 1000 5,5 1 ,7—6
ЦТ yxl/38° 5 > 0,144 400—1000 4,0 1 ,2—4
ЦТ yxl]38° 6 > 0,127 400—1000 3,5 1—4
ЦТ yxl/38° 7 » 0,104 400—1 000 3,0 1—4
ЦТ yxl/38° —• Сегментная — 600—1500 — —
Общие сведения
173
11.
Резонаторы АП и ВП
ил
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. Резонаторы типа АП и БП возник-
ли в результате отечественных исследований, выполненных за пос-
ледние годы с целью улучшения характеристик кварцевых резона-
торов на частоты от 400 до 800 кГц, так как на эти частоты ис-
пользовались резонаторы ЦТ, ЕТ и ФТ, не удовлетворяющие требо-
ваниям современной радиоэлектроники [82]. Резонаторы имеют не-
большие размеры, а их электрические и эксплуатационные характе-
ристики лучше, чем у резонаторов других типов в этом диапазоне
частот. Поэтому они нашли практическое применение в аппаратуре
Ьтветственного назначения. Их производство освоено некоторыми
предприятиями, а практика их эксплуатации насчитывает более
10 лет. Резонаторы типа АП патентно чисты и защищены автор-
скими свидетельствами и патентами на изобретения в ряде стран
[83—87]. Иногда их называют резонаторами колебаний косого
сдвига.
Особенности колебаний. В отличие от других резона-
торов сдвиговых колебаний, в резонаторах АП и БП используются
ПЭ одного среза, имеющие форму стержней почти квадратного се-
чения. Поэтому форма колебаний таких ПЭ более сложна, чем пла-
стин, и колебания их являются трехмерными колебаниями. Пьезо-
элементы вырезаны из кристалла так, что их длина совпадает с на-
правлением оси X кварца, а боковые грани наклонены к осям Y и
Z (рис. 11.1). Ориентация ПЭ такова, что электрическое поле, пер-
пендикулярное длине ПЭ и, следовательно, оси X кварца, не воз-
буждает каких-либо других видов деформаций, кроме сдвига, ни
пьезоэлектрически, ни вследствие упругих связей Поле возбуждает
в ПЭ компоненты сдвига в плоскостях всех боковых граней, и ре-
зультирующая деформация сдвига происходит в плоскости, наклон-
ной к боковым граням ПЭ, как показано на рис. 11.2. Такую де-
формацию называют косым сдвигом, а колебания — колебаниями
косого сдвига. Компоненты сдвига упруго связаны между собой, и
эта связь используется для регулирования электрических характе-
ристик резонаторов. При возбуждении ПЭ наблюдаются, по край-
ней мере, два резонанса, частоты которых определяются как шири-
ной, так и толщиной ПЭ В первом случае частота собственных ко-
лебаний сдвига обусловлена отражением упругих волн от узких
граней, а во втором — от широких граней ПЭ. Исследование фор-
мы колебаний сдвига стержневых ПЭ показали, что узлы смещений
расположены вдоль средней линии противоположных боковых гра-
ней. На другой паре граней при этом наблюдается ряд попереч-
ных узловых линий, расположенных симметрично и на рав-
ных расстояниях друг от друга. Расстояние между этими попереч-
ными линиями находится в постоянном отношении к частотному
174
Резонаторы АП и БП
размеру, например к ширине ПЭ Число узловых линий определяет
порядок моды сдвиговых колебаний Частотные коэффициенты та-
ких стержней почти не зависят от угла среза (угла наклона боко-
вых граней к осям Y и Z кварца) и составляют ~1680 и
Рис. 11.1. Форма и ориентация пьезоэлемента АП и БП относительно
осей кварца и расположение электродов
~2550 кГц-mm. Резонаторы, в которых используются низкочастот-
ные колебания с частотным коэффициентом 1680 кГц-мм, получили
обозначение АП, резонаторы же, в которых используются высокоча-
стотные колебания с частотным коэффициентом 2550 кГц-мм,—обо-
значение БП. Расстояние между поперечными узловыми линиями
Рис. 11.2. Характер статиче-
ской деформации (деформа-
ция косого сдвига) при воз-
буждении пьезоэлемента АП
полем, перпендикулярным
его оси
Общие сведения
175
для низкочастотных колебаний находится в постоянном отношении
к частотному размеру, равном 1,61. Для высокочастотных колеба-
ний это отношение несколько меньше (около 1,4). Практическое
применение нашли резонаторы АП, поэтому дальнейшее изложение
касается низкочастотного вида колебаний Поскольку в резонаторах
могут применяться ПЭ разных срезов, обозначение может содер-
жать цифровой индекс, указывающий угол среза, например АП45,
Длина ПЭ, не являясь частотным размером, тем не менее не долж-
на быть произвольной. Она должна быть в Одном из определенных
отношений к ширине ПЭ. Имеется ряд точных оптимальных отноше-
ний ширины к длине, для которых активность колебаний макси-
мальна, а близкие побочные резонансы наиболее ослаблены. Эти
оптимальные отношения могут быть рассчитаны по формуле 6//=
= 1/1,61 («+1,6), где I и b — соответственно длина и ширина ПЭ, а
п — целое число, определяющее порядок моды сдвиговых колеба-
ний. В пьезоэлементах АП, кроме колебаний рабочей моды, воз-
буждаются колебания мод других порядков, определяющие в ос-
новном близкие по частоте побочные резонансы. При оптимальных
отношениях ширины к длине эти моды сильно ослаблены и доста-
точно удалены от частоты рабочей моды. При малых отношениях
длины к ширине частоты соседних мод больше удалены от частоты
рабочей моды и область частот, свободная от побочных резонан-
сов, оказывается шире.
В пьезоэлементах АП, кроме того, интенсивно возбуждаются
нечетные «гармонические» обертоны. Соответствующим секциониро-
ванием электродов на широких гранях эффективность их возбужде-
ния можно повысить, а также возбудить и четные обертоны. Прак-
тически эти возможности, позволяющие в несколько раз расширить
диапазон частот, еще не использованы
Возбуждение колебаний. Возбуждение колебаний в
ПЭ может осуществляться электродами, расположенными на любой
паре противоположных боковых граней В этом случае используется
либо продольный, либо поперечный пьезоэффект в зависимости от
расположения электродов. Для более эффективного возбуждения
колебаний следует одновременно использовать как продольный, так
и поперечный пьезоэффекты, для чего необходимы две пары элек-
тродов, расположенных на всех четырех боковых гранях. Чтобы де-
формации сдвига, обусловленные компонентами поля, складыва-
лись, необходимо соответствующее соединение пар электродов Со-
единение электродов осуществляют через боковые ребра так, что
образуются два угловых электрода (см. рис. 11.1). При этом линия,
соединяющая ребра, замыкающие смежные электроды, должна быть
примерно параллельна оси Y кварца. Угловые электроды позволяют
существенно уменьшить значения сопротивления и индуктивности
резонаторов.
Срезы и пьезоэлементы. Для резонаторов АП и БП
первоначально использовался один и тот же срез yxl/—45°. Значе-
ние угла среза —45° является номинальным и может изменяться в
пределах нескольких градусов. Позже [88] были исследованы срезы
с несколько большими углами, позволившие получить ТЧХ в виде
кубических парабол. В производстве используются преимущественно
ПЭ с углом среза —45°, характеристики которых наиболее подроб-
но изучены.
176
Резонаторы АП и БП
.В зависимости от угла среза отношение толщины к ширине
ПЭ, имеющих форму стержней прямоугольного сечения, может быть
в пределах от 0,5 до 1,0. Частота колебаний АП определяется ши-
риной ПЭ, а БП — толщиной ПЭ В отличие от ПЭ сдвиговых ко-
лебаний, имеющих форму пластин, изменение ТКЧ достигается из-
менением отношения поперечных размеров, а не угла среза Поэто-
му отношение толщины к ширине ПЭ имеет определенное значение,
обусловленное требованиями к ТЧХ. Как указывалось выше, отно-
шение ширины к длине также должно быть определенным.
11.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Исходя из значения частотного коэффи-
циента, равного около 1680 кГц-мм, и приемлемых размеров ПЭ,
диапазон частот резонаторов АП определяется граничными часто-
тами 300 и 1200 кГц. На частоте 300 кГц наибольший размер по-
перечника ПЭ составляет около 5,5 мм, а на частоте 1200 кГц —
около 1,4 мм.
Верхняя граница диапазона несколько условна и определена
на основании имевшегося ранее опыта производства. Однако иссле-
дования, проводимые с целью создания микрорезонаторов, показа-
ли, что диапазон частот может быть расширен до 1500 кГц при ис-
пользовании основной моды колебаний и до 3 МГц при использова-
нии обертонов.
Спектр частот. Частотный спектр резонаторов АП похож
на спектр резонаторов сдвиговых колебаний и характеризуется на-
личием относительно близких по частоте побочных резонансов, обу-
словленных модами колебаний сдвига других порядков. Обычно для
правильно выполненных отношений размеров ПЭ эти побочные ре-
зонансы достаточно ослаблены, примерно на 30 дБ У относительно
коротких ПЭ с отношением ширины к длине 0,228 побочные резо-
нансы ослаблены более чем на 40 дБ и отстоят дальше от рабочей
частоты, чем у более длинных ПЭ. Это следует учитывать при за-
казе резонаторов, предназначенных для кварцевых фильтров или
управляемых генераторов. Кроме указанных побочных резонансов,
всегда присутствует относительно интенсивный резонанс, обуслов-
ленный высокочастотным колебанием сдвига по толщине. Частота
этого резонанса обычно выше рабочей частоты в 1,6—1,8 раза, и
его ослабление составляет 6—8 дБ. Наконец, наблюдаются побоч-
ные резонансы, обусловленные гармоническими обертонами колеба-
ний сдвига по ширине и толщине. Ближайшие частоты этих резо-
нансов, по крайней мере, втрое больше частот основных колебаний.
Изредка наблюдаются побочные резонансы нерегулярного характе-
ра на некоторых отдельных частотах
Зависимость частоты от температуры. У резона-
торов АП частотно-температурная характеристика имеет вид почти
квадратичной параболы, и для практических расчетов можно ис-
пользовать зависимость (4.4). Короткие ПЭ (b/l=Q, 161-4-0,360)
имеют меньшие значения коэффициента аг — около (1,5—2,0) X
ХЮ-8 1/(°C)2 для более длинных (6//=0,0494-0,'131) он больше и
достигает значения (2,2—2,5) • 10-81/(°С)2. Расчетный квадратичный
коэффициент принимают равным —2-10-81/(°С)2.
Электрические характеристики
177
На рис. 11.3 представлена типичная ТЧХ резонатора АП. Пра-
вая ветвь кривой немного положе левой, что в некоторых случаях
следует учитывать. Температурная кривая очень похожа по форме
и крутизне на кривые резонаторов ДТ. Положение точки нулевого
ТКЧ (То) можно просто изменять в широких пределах, например
от отрицательных температур до значений около 100°С, изменением
в небольших пределах отношения толщины к ширине ПЭ. Разбросы
точки То невелики и нахо-
дятся обычно в пределах
Рис 114. Зависимости индуктивности ре-
зонаторов АП от частоты для разных от-
ношений ширины к длине ПЭ
Изменение частоты от
температуры для интерва-
лов температур составляет:
от —60 до 100° С <(140—
160) -10~6 и от —10 до
+60° С <(25—45) -106.
Э к в ив а лен т н ы е
параметры и актив-
ность. Сопротивление.
Резонаторы АП характери-
зуют малые значения со-
противления, которые не
превышают 200 Ом, и обыч-
но составляют десятки ом.
Сопротивление практически
не зависит от температуры,
и его изменение в широком
интервале температур не превышает 5—10%.
Индуктивность. Значения индуктивности зависят от частоты и
относительной длины ПЭ. На рис. 11.4 приведены зависимости ин-
дуктивности от частоты для разных отношений размеров ПЭ.
Низкие значения сопротивления и индуктивности определяют
высокую активность резонаторов АП. Они легко возбуждаются и
устойчиво работают в кварцевых генераторах.
Добротность. Вакуумные резонаторы характеризуются вы-
сокой добротностью, достигающей значений порядка (1—^-lO6, у
герметичных она не бывает ниже 10s. В среднем добротность ва-
куумных резонаторов составляет 0,5-106. Добротность мало зависит
от температуры. Значения эквивалентных электрических параметров
178
Резонаторы АП и БП
и добротности вакуумных резонаторов АП на разные частоты и е
различными отношениями ширины к длине ПЭ даны в табл 11.1.
Таблица 111
Значения электрических параметров резонаторов АП45
Частоты, кГц, • отношение Ь/1 Сопротивле- ние, Ом Индуктив- ность, Г Параллельная емкость, пФ Добротность QX10-3
300, 0,161—0,228 18—75 17—23 9-11 700—1400
400—500, 0,065—0,228 6—60 4 — 17 6—14 600—2000
600—700 , 0,049—0,092 8—50 2—4 7—11 450—1500
800—900 , 0,049—0,081 9—4 5 2-3 6—9 400—1200
1000 , 0,065—0,228 25—20Э 2—7 3-7 20 0—400
Емкостный коэффициент. Отношение емкостей Со и Ci
для резонаторов АП составляет от 350* до 1000. Большие значения
емкостного коэффициента имеют резонаторы с относительно корот-
кими ПЭ.
Уровень возбуждения. Высокие значения добротности
ограничивают допустимую мощность рассеивания значением около
0,5 мВт. Изменение мощности рассеивания в 10 раз от 0,1 до 1 мВт
характеризуется изменением частоты порядка 10-6. С увеличением
мощности частота понижается.
Старение. Резонаторы типа АП характеризуются малым ста-
рением. Исследования партий вакуумных резонаторов, изготовленных
на производстве, показали, что в условиях хранения за 1000 суток
наибольшее изменение частоты не превышало + 1-10-6, а среднее
оказалось не более +0,5-10-6. При длительном хранении частота
резонаторов обычно повышается. Изготовители гарантируют изме-
нение частоты за время хранения и эксплуатации 10—12 лет не бо-
лее ±5-10-6.
11.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса. Резонаторы выпускают преимущественно вакуумными
в корпусах типа Э с каркасными кварцедержателями или в бескар-
касном варианте. Резонаторы на частоты 300—500 кГц выпускают
также в корпусах С. В зависимости от частоты и размеров ПЭ ис-
пользуют корпуса разных- типоразмеров: Э37, Э42, Э47, Э52 и С64.
На частоты выше 800 кГц выпускают вакуумные микрорезонаторы
в металлических корпусах. Обычно выпускают резонаторы двухпо-
люсные, но по требованию потребителей могут выпускаться трех- и
чегырехполюсные варианты. Выпускаются также два резонатора в
общем корпусе С.
Крепление пьезоэлементов. Пьезоэлементы крепятся
посредством четырех проволочных держателей (струн), припаянных
Рекомендации по применению
179
вдоль средней линии широких граней Точное расстояние мест креп-
ления от концов ПЭ составляет 0,65 его ширины. Существует ряд
точек вдоль средней линии, в которых наблюдаются минимумы за-
тухания, вносимого креплением, однако крепление в точках вблизи
краев обеспечивает наименьшее затухание и минимум влияния на
другие параметры. Для устранения разбросов параметров, обуслов-
ленных влиянием крепления, на держателях обычно устанавливают
отражатели в виде небольших шариков или шайб. Держатели обыч-
но прямые в виде коротких струн, что обеспечивает достаточно
большую жесткость системы крепления ПЭ. Пьезоэлементы неболь-
шого размера могут иметь крепление посредством двух держателей.
Часто используется осевое расположение двух держателей.
Механическая прочность и устойчивость. Не-
большая масса ПЭ и их крепление посредством четырех коротких
струн определяют достаточно большую жесткость механической
системы крепления, высокую прочность и сравнительно высокую ча-
стоту ее собственных колебаний. Резонаторы с каркасным держа-
телем удовлетворяют требованиям I группы жесткости условий экс-
плуатации по ГОСТ 11599—67, а бескаркасные резонаторы — более
жестким требованиям. Резонаторы устойчивы к воздействиям оди-
ночных и многократных ударов и вибраций, и изменения частоты
не превосходят 1*10-6.
Основными конструктивными преимуществами резонаторов АП
являются, небольшие размеры ПЭ и выгодная, с точки зрения ми-
ниатюризации, форма в виде короткого стержня небольшого сече-
ния; расположение мест крепления вблизи концов ПЭ, что позво-
ляет создать уравновешенное, достаточно прочное и жесткое креп-
ление; места крепления ПЭ расположены в области колебаний, где
и механические напряжения, и смещения незначительны, что опреде-
ляет малое влияние элементов крепления на частоту. Поэтому резо-
наторы имеют малое старение и устойчивы к разного рода механи-
ческим воздействиям.
Сведения о производстве. Резонаторы АП освоены в
опытном производстве, и предприятия выпускают их на частоты от
400 до 1000 кГц.
Как показала практика производства, характеристики и пара-
метры резонаторов хорошо воспроизводятся, их разбросы невели-
ки и оказываются меньше, чем у резонаторов других типов Пред-
приятия охотно выполняют заказы на резонаторы АП, отдавая им
предпочтение перед другими типами. Это обстоятельство объясня-
ется еще и тем, что ориентация и форма ПЭ такие же, как и у ре-
зонаторов крутильных колебаний (ВП). Все заготовки ПЭ изготов-
ляются с одним и тем же углом среза, что существенно облегчает
и упрощает производство.
11.4
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Резонаторы могут быть использованы как в генераторах, так и в
фильтрах, особенно предназначенных для работы в тяжелых усло-
виях эксплуатации.
180
Резонаторы АП и БП
В диапазоне частот от 500 до 1200 кГц резонаторы АП почти
по всем параметрам имеют лучшие показатели, чем резонаторы дру-
гих типов
11.5
ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Для резонаторов, нижняя рабочая температура которых не меньше
10°С, можно достичь большей температурной стабильности, исполь-
зуя ПЭ с углом среза —47 и —48° Температурная нестабиль-
ность при этом может не превосходить 10 10-6 в интервале темпе-
ратур 10—100°С Резонаторы с ПЭ, имеющие угол среза —50°
Рис 11 5 Типичные ТЧХ резонаторов АП для углов среза Р, рав
ных —47° (/) и —50° (2)
и определенные отношения размеров, обладают очень пологой ТЧХ
в интервале температур от 70 до 170°С, представленной на рис
115 В указанном интервале температур ТКЧ может быть поряд-
ка (1—2) 10~61/°С Эти резонаторы могут быть рекомендованы для
работы в термостате с очень грубой регулировкой температуры.
Резонаторы этого типа с пленочными электродами нагревателями в
режиме нерегулируемого нагрева обеспечивают нестабильность ча-
стоты порядка 10'6 при изменении внешней температуры от —60
до +100°С В табл 112 приведены значения параметров резонато-
ров АП50
Малые размеры ПЭ АП открывают широкие возможности для
миниатюризации резонаторов Электрические характеристики микро-
резонаторов на частоты 800—12000 кГц не отличаются от характе-
ристик резонаторов на эти же частоты в корпусах типа Э
Для микрорезонаторов перспективны ПЭ с осевым креплением,
позволяющим значительно уменьшить поперечные размеры Для
бескорпусных резонаторов перспективны ПЭ сложной формы —
стержни переменного сечения (сегментные), у которых одна боковая
грань не плоскость, а криволинейная цилиндрическая или сфериче-
ская поверхность, что позволяет уменьшать влияние крепления На
рис 116 показаны формы таких ПЭ Образцы резонаторов с сег-
Резонаторы БП
18Г
Таблица 112:
Параметры резонаторов АП50 (срез yxl/—50°)
Частота, кГц Сопротивле- ние, Ом Индуктив- ность, Г Добротность QX10-3 Емкостный коэффициент
402,4 7,5 6,6 2200 500
402 ,5 11 ,0 6,0 1600 520
Примечание Размеры ПЭ длина 50 4, ширина 4,17, толщина 2 03 мм
ментными ПЭ характеризуются более высокой добротностью и более
чистым спектром [88, 89]
В производстве освоены резонаторы на частоты до 1000—
1200 кГц Существенный шаг вперед в вопросе миниатюризации ре-
Рис 116 Форма пьезоэлемеита АП, одна грань которого
имеет выпуклую поверхность
зонаторов АП и расширения диапазона их частот до 3000 кГц мож-
но получить при использовании ПЭ, возбуждаемых на обертонах
11.6
РЕЗОНАТОРЫ БП
В пьезоэлементах той же ориентации yxl)—45° возбуждаются высо-
кочастотные колебания сдвига с частотным коэффициентом
~2550 кГц мм Исследования показали, что при соответствующих
отношениях толщины к ширине ПЭ, близких к 0,9, зависимость ча-
стоты от температуры уменьшается и ТКЧ для определенной темпе-
ратуры оказывается равным нулю Температурно частотная характе-
ристика имеет вид квадратичной параболы с коэффициентом а2
около —4 10~81/(°С)2 На рис 117 приведена типичная ТЧХ резо-
натора с высокочастотными колебаниями Такие резонаторы обо-
значаются БП Они так же, как и резонаторы АП, характеризуют-
ся высокой добротностью и низкими значениями сопротивления
Однако несколько большие значения ТКЧ и емкостного коэффициен-
та ограничивают их использование, и широкого практического при-
менения они не получили, поскольку резонаторам АП отдается
предпочтение из за меньшего ТКЧ Диапазон частот резонаторов
БП выше, чем у резонаторов АП, и составляет примерно 600—
2000 кГц
182
Резонаторы AT
Значения некоторых параметров резонаторов БП следующие:
.диапазон частот 600—2000 кГц; добротность (200—2000) -103; ем-
костный коэффициент 700—1100; индуктивность 2—20 Г; сопротив-
ление 20—200 Ом; квадратичный коэффициент о2 левой ветви
<2—3) -IO-8, правой — (4—5) - 10-81/(°С)2.
12.
Резонаторы АТ
12.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
'Историческая справка Резонаторы АТ считают основным
и наиболее важным типом кварцевых резонаторов, так как они
охватывают широкую часть радиотехнического диапазона частот и
по сравнению с другими типами имеют наибольшую стабильность
‘частоты и большой резонансный промежуток. Это определило их
широкое распространение — около 70% всех выпускаемых резона-
торов составляют резонаторы АТ. Они известны с 1934 г., и боль-
шая часть экспериментальных и теоретических исследований по
кварцевым резонаторам, касается резонаторов АТ.
Первые резонаторы имели ПЭ в виде прямоугольных пластин,
которые помещались между двумя электродами с зазором. Пласти-
на могла свободно перемещаться в зазоре, какого-либо устройства
для ее фиксации не было, и стенки корпуса ограничивали ее боко-
вые перемещения. Усовершенствованием резонаторов с зазором яви-
лась фиксация положения ПЭ посредством зажатия его по углам
электродами, для чего последние имели соответствующие выступы.
Этот тип резонаторов был широко распространен за рубежом и
'просуществовал до середины 50-х годов. В 30-е годы важное усо-
вершенствование было сделано Т. М. Михайловым, предложившим
(резонатор с металлизированными пластинами и оригинальным за-
жимным креплением. Эти резонаторы широко использовались в на-
шей стране, по качеству заметно превосходили зарубежные резо-
наторы с зазором и иногда с успехом применяются в настоящее
»время. Позже Бехман (Германия) предложил резонаторы с круг-
лыми линзами и зажимным их креплением за края [90]. В США
Общие сведения
183;
Лэк, Сайкс и другие, исследуя причины нерегулярных изменений
частоты и возникновения близких побочных резонансов, установили^
что эти явления обусловлены связью толщинно-сдвиговых колеба-
ний с обертонами изгибных и контурно-сдвиговых колебаний [91,
92] Эти исследования позволили правильно рассчитывать контур-
ные размеры ПЭ с тем, чтобы устранить нежелательные последст-
вия связи. Исследования резонаторов АТ осуществлялись многими-
авторами, однако наиболее обстоятельные исследования были осу-
ществлены Бехманом и изложены в его работах [93—95]. Бехманом
разработаны методы расчета резонаторов АТ для фильтров с боль-
шим ослаблением побочных резонансов [96, 19]. Работы Уорнера
(США) и А. Г. Смагина явились основополагающими по созданию
прецизионных резонаторов АТ [97, 6, 7]. Последние годы существен-
ные успехи достигнуты в разработке теоретических методов анали-
за колебаний кварцевых пластин АТ среза. Эти исследования в ос-
новном осуществлены в США (Миндлин, Холланд, Терстон), Япо-
нии (Оноэ) и СССР (Самойлов, Черных) [98, 101]. Улучшение ха-
рактеристик резонаторов достигнуто также благодаря усовершенст-
вованию конструкций и технологии изготовления. Основные кон-
структивные улучшения — герметизация и вакуумирование корпу-
сов. В СССР малогабаритные вакуумные и герметичные резонато-
ры были разработаны и внедрены в производство в середине 50-х
годов [102]. Новейшие достижения техники постоянно используются
в кварцевом производстве и позволили создать сверхминиатюрные
конструкции, а главное, существенно улучшить характеристики ре-
зонаторов АТ.
Особенности колебаний. Колебания пластин среза
АТ существенно зависят от отношения размеров их контура Ь к
толщине s. При отношении этих размеров более 40 [103] можно осу-
ществить захват колебаний, и края пластины практически не влияют
на колебания. Для отношений размеров менее 20 края пластины
достаточно интенсивно колеблются и влияют на толщинно-сдвиго-
вые колебания. Это влияние проявляется как взаимодействие с
толщинно-сдвиговыми колебаниями обертонов низкочастотных (из-
гибных и контурных) колебаний, частоты которых определяются
размерами контура. Нежелательные взаимодействия этих колеба-
ний уменьшают посредством выбора таких размеров контура пла-
стины, при которых частоты обертонов будут наиболее удалены от
частоты толщинных колебаний [104, 105].
Колебания относительно тонких пластин с отношением bfs бо-
лее 40 существенно зависят от размеров электродов (см. § 9.1).
Проблема осуществления резонаторов с большим ослаблением по-
бочных резонансов (больше 40 дБ) потребовала длительных и.
сложных исследований. Впервые условия ослабления побочных резо-
нансов были сформулированы Бехманом [103] и известны как «кри-
терий Бехмана». Согласно Бехману края электродов должны быть
достаточно удалены от краев пластины: b/da^3, где d3 — наиболь-
ший размер электрода Кроме того, отношение размера d3 к толщи-
не s не должно превосходить числа Б (числа Бехмана), равного 18
для колебаний первого, 10 и 7,5 — для колебаний третьего и пято-
го порядков соответственно. Разработанная позже теория захвата
колебаний подтвердила справедливость критерия Бехмана и, кроме-
того, позволила рассчитывать оптимальные толщины электродов^.
184
Резонаторы AT
позволяющие достичь наибольшего ослабления побочных резо-
нансов.
Срез и пьезоэлементы. Срез АТ образуется путем по-
ворота пластины У-среза вокруг оси X так, что угол между пло-
скостью среза и осью Z равен 35°. Плоскость среза АТ почти парал-
лельна плоскости грани малого ромбоэдра кварца и отличается от
нее приблизительно на 3°. Это упрощает разделку кристаллов и
рентгеновский контроль углов среза заготовок. Точное значение угла
среза определяется конкретными требованиями к ТКЧ резонаторов,
порядком используемых колебаний, отношениями размеров ПЭ ;и
другими факторами. Угол среза должен быть выдержан с точностью
менее 1 угл. мин.
Пьезоэлементы имеют форму прямоугольных или круглых пла-
стин. Пластины должны быть либо плоскопараллельными, либо не-
много выпуклыми (порядка нескольких микрометров). К качеству
обработки ПЭ предъявляются очень высокие требования: чистота
обработки соответствует 9—12 классам, т. е. тонкая шлифовка или
полировка. Плоскопараллельность — не хуже чем 1 мкм. Для уда-
ления продуктов обработки пластины подвергают травлению в пла-
виковой кислоте или ее соединениях. Окончательный размер по тол-
щине устанавливается при достижении определенного значения ча-
стоты, так как точность линейных измерений оказывается недоста-
точной.
На частотах выше 5 МГц ПЭ имеют форму круглых, реже пря-
моугольных тонких пластин. Особенности колебаний позврляют осу-
ществлять их жесткое крепление за края, не оказывающее заметно-
го влияния на затухание и другие электрические параметры. Это
определяет простоту монтажа и небольшие размеры резонаторов.
Пластины обычно плоские с круглыми или прямоугольными элек-
тродами. Последние размещены в средней части пластины и имеют
отводы и контактные площадки по краям, к которым крепятся дер-
жатели посредством пайки, сварки или приклейки проводящим
клеем. По мере повышения частоты размеры ПЭ уменьшаются.
На частотах ниже 5 МГц изготовители используют преимуще-
ственно ПЭ в виде двояко- или плосковыпуклых линз круглой, ре-
же прямоугольной форм, а также в виде плоских прямоугольных
пластин. При небольших контурных размерах ПЭ на этих частотах
•необходимо точно выполнять определенные отношения между тол-
щиной и размерами контура ПЭ с тем, чтобы избежать нежела-
тельных взаимодействий с другими видами колебаний. Это условие
далеко не всегда выполняется изготовителями, и такие резонаторы
имеют низкую добротность и нерегулярные температурные харак-
теристики частоты и сопротивления. Лучшие результаты дают' лин-
зы прямоугольной формы, у которых оба размера независимо друг
•от друга можно выполнить оптимальными по отношению к толщи-
не. Подавляющее большинство выпускаемых резонаторов имеет ПЭ
круглой формы. Чтобы на характеристики линзовых ПЭ не влиял
диаметр, его размер должен быть более определенного критическо-
го значения. При этом колебания краев линзы уменьшаются до та-
кой степени, что практически не влияют на затухание и другие па-
раметры.
Плоские ПЭ круглой и прямоугольной форм позволяют осуще-
ствить резонаторы с низкими значениями индуктивности и емкост-
Электрические характеристики
185-
ного коэффициента и большим ослаблением побочных резонансов.
На самых низких частотах распространение получили ПЭ в виде
плоских, прямоугольных пластин со скосами на торцах, образую-
щими ребра, которыми ПЭ зажимается в кварцедержатель. Такие
резонаторы при точно рассчитанных и ’ выполненных отношениях
размеров ПЭ имеют отличные параметры. На частотах ниже
1,5 МГц прямоугольные ПЭ без скосов крепят проволочными дер-
жателями с отражателями. На частотах выше 1,5 МГц используют
удлиненные прямоугольные ПЭ со скосами, что позволяет исполь-
зовать паяное крепление без отражателей.
Классификация. Резонаторы АТ различают:
по назначению — для генераторов и для фильтров;
по типам корпусов — в металлических корпусах Б, М, П, Г, Т;
в корпусах от микросхем и транзисторов и в стеклянных корпусах
Д, С, Э- и К;
по конструкции крепления — с зажимным и паяным крепле-
нием;
по числу полюсов — двух-, трех- и четырехполюсные;
по числу ПЭ или числу частот в корпусе.
12.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Частоты резонаторов АТ охватывают диа-
пазон от 400 кГц до 200—250 МГц. На частотах до 1 МГц резона-
торы АТ в настоящее время используют редко из-за больших раз-
меров, трудностей проектирования и производства. Диапазон ча-
стот до 30—40 МГц перекрывается резонаторами с ПЭ, совершаю-
щими колебания сдвига по толщине первого порядка. На более вы-
соких частотах используют нечетные колебания высших порядков
(«гармоники»). Обычно колебания третьего порядка используют да
80 МГц, колебания пятого — до 100—120 МГц, седьмого — до
200 МГц, девятого — до 250 кГц.
Спектр частот. У резонаторов АТ спектр частот сложен
и содержит, помимо интенсивных побочных резонансов, обусловлен-
ных «гармоническими» обертонами, достаточно удаленных по часто-
те от рабочего, также и близкие по частоте побочные резонансы,
вызванные в основном ангармоническими обертонами и обертонами
контурных колебаний. На частотах много ниже рабочей 'наблюдают-
ся побочные резонансы, иногда достаточно интенсивные, представ-
ляющие моды контурных колебаний. Кроме того, могут наблюдать-
ся побочные резонансы, обусловленные связью с другими видами
колебаний, в основном изгибных колебаний. Если для обычных ге-
нераторных резонаторов ослабление близких побочных резонансов
считают достаточным в 1,5 раза (3,5 дБ), то для фильтровых резо-
наторов требуется намного большее ослабление порядка 30—60 дБ.
Частоты и интенсивность побочных резонансов существенно за-
висят от формы и отношений размеров ПЭ и электродов, а на ча-
стотах выше 5 МГц также и от толщины (массы) электродов. Для
фильтровых резонаторов требования к расположению и ослаблению
побочных резонансов в некоторых случаях оказываются трудновы-
полнимыми, и изготовителям могут потребоваться длительные ис-
следования и изыскания, прежде чем заданные требования могут
186
Резонаторы AT
«быть реализованы. При заказе или согласовании требований на ре-
зонаторы потребителям следует уточнить типовую спектральную
характеристику. Спектральные характеристики резонаторов с оди-
наковыми ПЭ могут существенно различаться вследствие чрезмерно
широких допусков на размеры и толщины электродов. Задача ос-
лабления побочных резонансов существенно усложняется, если по-
требитель выставляет требования достижения возможно низких
значений индуктивности.
Рис 121 Спектральная характеристика резонатора АТ на
частоту 3,2 МГц
Частоты побочных резонансов, обусловленных ангармонически-
ми обертонами, расположены выше основной частоты На рис. 12 1
приведена типичная спектральная характеристика резонатора для
области частот вблизи основного резонанса.
Зависимость частоты от температуры. Резона-
торы АТ имеют характерную температурно-частотную характеристи-
ку, отличную от ТЧХ большинства других типов, которая описы-
вается кубической зависимостью частоты от температуры [см. ф-лу
(4 3)]. Эта ТЧХ существенно зависит от угла среза ПЭ, небольшие
изменения которого, порядка 1 мин, заметно изменяют ее. На
рис. 12.2 изображено семейство ТЧХ для разных значений угла
-среза, наглядно показывающее это влияние. Поскольку квадратич-
ный коэффициент для среза АТ мал, можно использовать ф-лу
(4.5). Кривые характеризуются двумя экстремумами (точками нуле-
вого ТКЧ) — Toi и То2 — и точкой перегиба Та, расположенной
около 25°С, в которой ТЧХ пересекаются. Точки TOi и Т02 располо-
жены симметрично относительно точки Та. Линейный коэффициент
oil зависит от угла среза и может быть как положительным, так и
отрицательным, определяя тем самым наклон ТЧХ и расположение
точек Toi и Тог- Значения Тоь Т02 и Та связаны следующими соот-
ношениями со степенными коэффициентами ап:
Интервал температур, для которого частота не выходит за пре-
делы максимального и минимального значений, соответствующих
точкам Tqi и Тог, вдвое больше интервала между этими точками
(рис. 12 3). При относительно небольшом интервале температур, на-
пример от —10 до 6О°С, может быть достигнуто очень небольшое
Электрические характеристики
187
изменение частоты Требование на изменение частоты в таком ин-
тервале, равное ± (5—10)-10~б, в настоящее время является обыч-
Рис 12 2 Семейство температурив частотных характеристик резона-
торов АТ для различных значений угла среза (цифрами указаны
значения минут)
±3,5-10~6. В широком интервале (от —60 до +90°С) используют
ТЧХ, похожие на показанную на рис 12 3
Точку Toi> расположенную в области низких температур, в ка-
честве рабочей используют редко, точку Тог в области высоких тем-
ператур часто используют как рабочую при термостатировании ре-
зонаторов Положение точки Т02 можно изменять от 40 до 80°С,
изменяя угол среза У характеристик с низко расположенными точ-
188
Резонаторы AT
ками Тог крутизна меньше, чем у ТЧХ с высоким их расположе-
нием, поэтому не рекомендуется , температуру термостатирования
брать выше 70°С, так как при этом заметно возрастает крутизна
ТЧХ. При одних и тех же разбросах угла среза разбросы положе-
ния точки Тог увеличиваются для более низких значений Тог или,
иными словами, обеспечить меньшие разбросы Тог легче для более
высоких ее значений.
Рис, 12 3 Температурно-ча-
стотная характеристика ре-
зонатора АТ, оптимальная
для интервала температур
между Ti и Т2
Для широкого интервала температур, например от —50 до
“90оС, изменение частоты может составлять примерно 30-10~6. Для
заданного интервала температуры оптимальная ТЧХ, для которой
изменение частоты будет наименьшим, должна быть такой, чтобы
отклонения частоты на краях интервала равнялись по абсолютной
величине отклонениям ее в экстремальных точках (см. рис. 12 3).
Эквивалентные параметры. Сопротивление. Резона-
торы с правильно рассчитанными и выполненными размерами ПЭ и
электродов характеризуются низкими значениями сопротивления от
единиц до сотен ом. Резонаторы, возбуждаемые на обертонах, име-
ют более высокие значения сопротивления, чем на основной часто-
те. С увеличением порядка обертонов сопротивление возрастает.
Сопротивление практически не зависит от температуры. Наблюдаю-
щиеся явления резкого изменения сопротивления («провалы актив-
ности») в узком интервале температур свидетельствуют о неточно-
сти расчета ПЭ или производственных отклонениях. На рис. 12.4
показаны области возможных значений сопротивления в зависимо-
сти от частоты.
Индуктивность. Резонаторы АТ имеют более низкие значения
индуктивности, чем высокочастотные резонаторы других типов, что
является существенным их достоинством. Резонаторы с ПЭ в форме
линз имеют более высокие значения индуктивности, чем резонаторы
с плоскими ПЭ. С повышением частоты значения индуктивности
уменьшаются. На рис. 12 5 показана область возможных значений
индуктивности. Значения индуктивности резонаторов при возбуж-
дении на обертонах не зависят от порядка обертона.
Емкость. Значения емкости Ci резонатора при возбуждении
/г-ro порядка колебаний связаны со значением емкости для основ-
ной частоты зависимостью Cn = Cjn2, где Ci и Сп — значения ем-
кости соответственно при колебаниях первого и n-го порядка. Зна-
чения емкости в зависимости от частоты даны на рис. 12.6.
Добротность. Добротность герметичных резонаторов широ-
кого применения обычно составляет (50—300)-103, у вакуумных она
примерно в 1,5—2 раза выше. У резонаторов повышенной стабиль-
ности и прецизионных она достигает значений (1—5) • 10е. С повы«
Электрические характеристики
* 189
шением частоты добротность уменьшается У прецизионных резона-
торов, добротность которых определяется преимущественно потеря-
ми на внутреннее трение, добротность достигает почти предельных
значений и может быть найдена из выражения /Q« 1,3-10* 13.
Рис. 12 4 Значение сопротивления
оезонаторов АТ в зависимости от
1астотьг
— для колебаний первого порядка;
' — для колебаний высших поряд-
ков
Змс. 12 5. Значения индуктивности
>езонаторов АТ в зависимости от
[астоты
Это выражение может служить ориентиром при определении
[обротности резонаторов. Следует учесть, что по мере уменьшения
[астоты начинают все более сказываться потери других видов, пре-
(мущественно потери в системе крепления. На рис. 12.7 приведены
(ависимости предельной добротности резонаторов от частоты для
1Э разных видов.
Емкостный коэффициент. Резонаторы с плоскими ПЭ
1меют значения емкостного коэффициента от 220 до 350 У резона-
торов с ПЭ в форме линз значения более высокие и для малых
радиусов кривизны сферы достигают 700—800. У «гармонических»
резонаторов емкостный коэффициент возрастает пропорционально
квадрату числа, обозначающего порядок колебаний. Для резонато-
ров, в которых испбльзуются колебания третьего порядка, он равен
примерно 2500, а для резонаторов с колебаниями пятого порядка —
7000 и более.
Уровень возбуждения. Для резонаторов, предназначен-
ных для КГ с нестабильностью порядка 10-4—10-5, предельный
уровень возбуждения считают равным 1—2 мВт. Порядок доброт-
190
Резонаторы AT
ности резонаторов при этом принимается в среднем около 105. Для
резонаторов, добротность которых выше этого значения, уровень
возбуждения следует устанавливать меньше 1 мВт.
Рис. 12.6. Значения емкости С\ резонаторов АТ в
зависимости от частоты (для колебаний первого
порядка)
С увеличением уровня возбуждения частота резонаторов АТ в
большинстве случаев повышается, что отличает их от резонаторов
других типов. Токовые характеристики имеют квадратичную форму,
Af/f
ZQQWOmOQMKA
Рис 12.8. Токовые характе-
ристики резонатора АТ с
пьезоэлементом в форме
линзы:
1, 2 и 3 — при возбуждении
колебаний первого, третьего
и седьмого порядков соот-
ветственно
Рис 12 7 Значения добротности резо-
наторов АТ разных видов в зависимо-
сти от частоты
1 — предельная кривая; 2, 3 — для пре-
цизионных резонаторов; 4 — для ваку-
умных резонаторов широкого примене-
ния, 5 — для герметичных резонаторов
а их крутизна существенно зависит от формы ПЭ, отношения его
размеров, а также от вида и порядка возбуждаемого колебания.
Резонаторы с ПЭ в форме линз имеют большую крутизну токовых
характеристик, чем резонаторы с плоскими ПЭ. Резонаторы, воз-
буждаемые на обертонах, имеют большую крутизну токовых харак-
Конструктивные данные
191
теристик, возрастающую по мере повышения номера обертона. На
высоких обертонах иногда наблюдается изменение знака токового
коэффициента частоты. На рис 12 8 приведены типичные токовые
характеристики резонатора с ПЭ в виде линзы при возбуждении
колебаний разных порядков.
Увеличение уровня возбуждения сверх допустимого может при-
водить к искажению температурных характеристик частоты и сопро-
тивления (появлению «провалов активности»).
Старение. Величины изменений частоты, характеризующие
старение, существенно определяются конструкцией резонатора и
уровнем технологии производства. Данные по старению однотипных
резонаторов у разных изготовителей часто различаются в несколько
раз. Нормы на старение резонаторов широкого применения за
10 лет хранения и эксплуатации составляют ±35*10-6 для герме-
тичных резонаторов и ±20-10-6 для вакуумных резонаторов.
Эти нормы следует считать несколько заниженными, особенно
для вакуумных резонаторов. Резонаторы, изготовляемые по частным
ТУ, обычно обеспечивают меньшее старение [±2010~6 для герме-
тичных и ±(5—10) -10“8 для вакуумных резонаторов]. За первый
год хранения и эксплуатации норму на старение часто принимают
равной половине всей нормы.
При согласовании технических требований на резонаторы нор-
мы на старение следует устанавливать на основании результатов
испытаний на старение резонаторов аналогичных типов, а в случаях
отсутствия таких данных или разработки резонаторов новых типов
потребителю следует заранее оговорить необходимость проведения
таких испытаний на этапе изготовления опытных образцов и уста-
новочных партий.
12.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса. Для резонаторов АТ используется наибольшее число
типов как металлических, так и стеклянных корпусов — 16 стан-
дартных и примерно вдвое меньшее число нестандартных типов. В
некоторых случаях тип корпуса однозначно определяет и тип креп-
ления. Однако большинство типов корпусов позволяет использовать
разные варианты крепления.
Наибольшее распространение имеют резонаторы в металличе-
ских корпусах М и Б. Корпуса Б считают устаревшими и в настоя-
щее время используют в ограниченном диапазоне частот ниже
5 МГц. Следует ожидать, что корпуса Б в ближайшее время будут
заменены корпусами П меньшей толщины. Начинают все более широ-
ко использоваться резонаторы в корпусах ТА и ТБ с холодносвар-
ным соединением. Резонаторы в корпусах ТВ не получили распро-
странения.
Вакуумные резонаторы выпускают в стеклянных корпусах Э и
С, последние преимущественно на частоты до 5 МГц. На частотах
выше 5 МГц используют корпуса Э и С с наименьшими размерами
по высоте, т. е. типоразмеры Э22, Э27, С29 и С34. На частотах ни-
же 1 МГц используются корпуса С41, С64 и Д49, Д60.
В корпусах Д, Ц ц Ж выпускают прецизионные резонаторы.
Перспективны резонаторы в плоских стеклянных корпусах К, выпу-
192
Резонаторы АТ-
скаемые ограниченным числом предприятий. Освоен выпуск герме-
тичных резонаторов в корпусах дипа М с холодносварным соеди-
нением, имеющих те же габариты, что и резонаторы в корпусах КА.
В порядке опытного производства выпускают герметичные ре-
зонаторы в металлических плоских прямоугольных корпусах от мик-
росхем (К151) и круглых корпусах от транзисторов (М400). В этих
корпусах выпускают как двух-, так и четырехполюсные резонато-
ры. Выпускают также сверхминиатюрные резонаторы в металличе-
ских корпусах, подобных корпусам М, с размерами 8,5X7,5X2,5 мм.
В корпусах Г и МД выпускают трехполюсные и двойные резо-
наторы с двумя ПЭ на разные частоты или с двумя резонаторами
на одной кварцевой пластине. Трех- и четырехполюсные резонато-
ры, а также двойные резонаторы выпускают и в стеклянных кор-
пусах С и Э.
Рис. 12 9. Зажимные кварце-
держатели.
а) для прямоугольных пье-
зоэлементов со скосами на
торцах; б) для круглых пье-
зоэлементов в форме линз
Кварцедержатели. Резонаторы с зажимными кварцедер-
жателями используют на частотах 0,4—3 МГц. Зажимное крепление
вносит небольшое затухание при использовании ПЭ небольших раз-
меров с малым отношением контурных размеров к толщине. Резо-
наторы с зажимным креплением выпускают'в корпусах С, Д, Б и
П. Зажимные кварцедержатели используют как для прямоуголь-
ных, так и круглых ПЭ (рис. 12.9).
Каркасные кварцедержатели используют для крепления прямо-
угольных ПЭ на частотах от 0,4 до 2,5 МГц. Проволочные держа-
тели иногда снабжаются отражателями (рис. 12.10). Вариант квар-
цедержателя для прямоугольных удлиненных пластин со скосами и
проволочным креплением показан на рис. 12.11 [106].
На частотах выше 5 МГц используется проволочное или более
жесткое ленточное крепление (рис. 12.12).
Совокупность этих различий определяет основные электриче-
ские и эксплуатационные характеристики и диапазон частот каждо-
го' конструктивного варианта. Данные конструктивных вариантов
вакуумных резонаторов, выпускаемых отечественными предприятия-
ми, приведены в табл. 12 1.
Крепление пьезоэлемент ов. Крепление ПЭ к прово-
лочным держателям отечественные предприятия осуществляют, как
правило, пайкой мягким припоем. Крепление проводящим клеем,
широко распространенное за рубежом, отечественные предприятия
Конструктивные данные
193
не производят, несмотря на его преимущества, в частности для
фильтровых резонаторов. Клеевое крепление позволяет ослабить по-
бочные резонансы и достичь большего постоянства сопротивления
Рис. 12 10. Кварцедержатель
для прямоугольных пьезо-
элементов АТ с припаянны-
ми струнами, снабженными
отражателями
Рис 1211 Кварцедержатель
для удлиненных прямоуголь-
ных пьезоэлементов со ско-
сами на торцах и проволоч-
ными креплениями
Рис. 12 12. Кварцедержатели с паяным креплением'
а) с проволочными держателями; б) и в) с ленточными держателями
в интервале температур. Крепление ПЭ резонаторов в корпусах КА
и КБ осуществляют вжиганием серебряной пасты и сваркой. За-
жимное крепление используют в резонаторах С и Д на частотах ни-
же 1—1,5 МГц. Резонаторы с таким креплением считаются устарев-
7—104
Конструктивные варианты вакуумных резонаторов типа АТ и их основные данные
Тип корпуса Тип ПЭ Крепление Диапазон частот, МГц Назначение Достоинства Недостатки
1 2 3 4 5 6 7
Ц70, Ц40 Линза Проволочное, 1-3 Прецизионные Хорошо освоены в Устаревший тип.
паяное для стационарной производстве большие размеры,
аппаратуры низкая механическая
Ж35, ж 55 Линза Ленточное, 1-5 То же Высокая стабиль- прочность Большие габари-
паяное ность и надежность ты, выпускается ограниченным числом
Д29, Д34, Д38 Линза Ленточное, 1-5 Прецизионные Высокая механиче- предприятии
паяное и широкого при ская прочность, ста-
Прямо- менения бильность
Д49, Д60 Зажимное 0,4—3 Для стационар Низкие значения Большие габари-
угольник со скосами ной аппаратуры Дь L| и Со/С|, малый ткч ты, выпуск ограничен
Д49, Д54 Прямо- угольник Проволочное 0 ,4 — 1,2 То же То же То же
С29, С34 Линзы Проволочное, 0,75—7 (20) Прецизионные Небольшие габари- Устаревший тип
круглые ленточное, паяное и широкого при- ты, широко освоены для резонаторов ши-
С48, С54, С64 плоские 0,4—3, менения в производстве рокого применения
Прямо- Зажимное Для стационар- Низкие значения Большие размеры.
угольник со скосами ной аппаратуры Дь Li, Co/Ct, малый ткч выпуск ограничен
Э22, Э27, Э32 Плоские Проволочное, 3-4 0 Для подвижной Малые размеры,
пластины (на ленточное, паяное стационарной ап- высокая надежность, •
основной ча- паратуры широко освоены в
Э22, Э27 стоте) (5) 20—100 производстве
Плоские Проволочное, Для подвижной То же Узкий резонансный
пластины (на обертонах) ленточное, паяное (200) аппаратуры промежуток
Резонаторы АТ
Конструктивные данные
195
Продолжение
i огра- ъеме пе- плом
I Освоены в \О я® А
ниченном о [боЛЬШИМ 41 X 1 *
С Ф С с
ОС X ?. ф X х 09 О д
х ? X
о СО X
5* i ч СО 'О х
СО X . со X О У * з
со О о
о Ф d ф
го о О ил СО F
О X х со
о X со а <->
X X = ф - о X cs ф
X ST 3 л 3 о
'О са ч н
с б со
Ч н с X 2
д X ’X
о J2 о
сд ““
*w3 Ф
е; X X
X X X 3
ю •е X О 2 л о S
= 2 С н *
X >> со к а.
Ч п О
Е[ ф
X и.
ю 1 ю
1
Г-
1 ю
ф
о
м ф" ф
X о о
со о X X X
о о
со и- Ф н Ф
о Ф X о X О
Оч о х Ф х
с X со со
со X X
X о
<и Я
ф л ф
X X X х 3
04 X о X - ° X X г X S S = о £ X
X и СО Ч о X
с О С Я е;
< ч X
X о с
Э47 I
__.
04
сб
со ю
СП J4 J4
шими. В резонаторах с корпусами
Б и П на частотах ниже 1 МГц.
также используют зажимное*кре-
пление для ПЭ в форме линз
Прочность и устойчи-
вость к механическим
воздействиям. Относительно
небольшая масса ПЭ и жесткое их
крепление определяютчболее высо-
кую прочность резонаторов АТ по
сравнению с резонаторами низко-
частотных типов Относительно
меньшей прочностью обладают
низкочастотные резонаторы АТ с
проволочным креплением на часто-
тах ниже 4 МГц. Для резонаторов
на частотах выше 5 МГц изготови-
тели обычно гарантируют сохране-
ние работоспособности после воз-
действия одиночных ударов поряд-
ка 1000 g и вибраций от 10 до
30 g на частотах до 2500—5000 Гц.
При этом изменения частоты обыч-
но не превосходят ± (5—10) • 10-6.
Разработаны конструкции резона-
торов с креплением ПЭ в особых
точках, соответствующих миниму-
му силовой чувствительности, об-
ладающие повышенной механиче-
ской устойчивостью, примерно от
1-Ю-7 до 1 • 10-6.
Сведения о производ-
стве. Опыт производства резона-
торов АТ имеют все предприятия,
изготовляющие резонаторы. Мно-
гие предприятия специализирова-
ны и выпускают только герметич-
ные резонаторы в металлических
корпусах, другие же — только ва-
куумные в стеклянных корпусах С
и Э Вакуумные резонаторы в
корпусах К выпускает ограничен-
ное число предприятий. Резонато-
ры для фильтров, требующие боль-
шой точности обработки пластин и
соблюдения точных допусков, вы-
пускают некоторые предприятия,
имеющие опыт их производства.
Опыт производства резонаторов на
обертонах на частотах выше 80—
100 МГц имеЮ1 не все предприя-
тия. Обычно их выпускают спе-
циализированные предприятия.
7*
196
Резонаторы AT
12.4
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
Резонаторы обладают наибольшей температурной стабильностью ча-
стоты по сравнению с другими' типами, причем она сочетается с
многими преимуществами: широким резонансным промежутком, вы-
сокой активностью и ее постоянством при изменении температуры,
высокой механической прочностью и устойчивостью частоты, малым
старением. Совокупность этих качеств определила широкое их рас-
пространение. Оптимальными, с точки зрения простоты производст-
ва и обеспечения хорошо воспроизводимых результатов, являются
резонаторы на частотах 5—20 МГц, в которых используются основ-
ные колебания, и на частотах 20—70 МГц на обертонах. Резонато-
ры на частотах ниже 3 МГц требуют правильных и точных расче-
тов и тщательного выполнения, поэтому они являются более слож-
ными. Для них характерны такие дефекты, как нестабильность со-
противления в интервале температур (провалы активности) и боль-
шие разбросы параметров.
Для генераторов на фиксированные частоты следует предпочи-
тать резонаторы с линзовыми ПЭ и резонаторы на обертонах. Для
управляемых и термокомпенсированных КГ и широкополосных КФ
следует использовать резонаторы с плоскими ПЭ и колебаниями
на основной частоте.
12.5
ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
Основные возможности повышения стабильности частоты резонато-
ров АТ, особенно временной, заключаются в конструктивных и тех-
нологических улучшениях. Например, использование холодной свар-
ки вместо пайки для герметизации корпусов Б, П и М позволит
примерно на порядок уменьшить их старение и обеспечить гарантий-
ную норму ±5'10“8 за первый год эксплуатации или хранения.
Резонаторы в корпусах с холодной сваркой, изготовленные в еди-
ном технологическом дикле, начиная с процесса нанесения электро-
дов и кончая герметизацией, могут по зарубежным данным гаран- \
тировать старение менее 1•10“6 за год.
Перспективны резонаторы на частотах выше 40 МГц, работаю- >
щие на колебаниях первого порядка. Пьезоэлементы для таких ре-
зонаторов изготовляют ионным травлением. Сведения об освоении
производства таких резонаторов отсутствуют.
Общие сведения
197
13.
Резонаторы БТ
13.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. Резонаторы БТ были открыты и
исследованы одновременно с резонаторами АТ в 1934 г.
После резонаторов АТ резонаторы БТ представляют наиболее
распространенный тип высокочастотных кварцевых резонаторов. Ра-
нее резонаторы типа БТ использовались более широко, чем в на-
стоящее время. Изготовители даже предпочитали их производство
вследствие некоторых технологических преимуществ, в частности
меньшей критичности к точности ориентации ПЭ и более высокому
значению частотного коэффициента, что облегчало изготовление ре-
зонаторов на высокие частоты. Однако заметно большая, чем у ре-
зонаторов АТ, зависимость частоты от температуры явилась причи-
ной ограничения их применения. Отмечается, что некоторые фирмы
за рубежом прекратили выпуск резонаторов этого типа. Однако в
последнее время определились области их применения, и интерес к
ним несколько возрос. Это обусловлено тем, что резонаторы БТ
можно изготовить на более высокие частоты, не прибегая к возбуж-
дению обертонов, а также с более высокой добротностью. Опреде-
лились возможности использования их для прецизионных резонато-
ров на частоты выше 10 МГц [107]. Следует отметить, что число
работ, посвященных исследованиям резонаторов БТ, намного мень-
ше числа работ, касающихся резонаторов АТ, что можно объяснить
их меньшей практической значимостью.
Особенности колебаний. Колебания пластин среза БТ
аналогичны колебаниям пластин среза АТ. При колебаниях смеще-
ния происходят в направлении оси X. Толщинные колебания сдви-
га взаимодействуют с колебаниями изгиба четных порядков и обер-
тонами контурных колебаний. Для толщинных колебаний пластин
среза БТ также характерно явление захвата колебаний. Поэтому
спектр частот резонаторов БТ по своему характеру оказывается
похожим на спектр резонаторов АТ.
Срез и пьезоэлементы. Срез БТ относится к семейст-
ву повернутых У-срезов. Плоскость среза наклонена к оси Z под
углом —48° и составляет с гранью большого ромбоэдра угол около
11°. Обозначение среза — yxl/—48°. Значение угла среза —48° яв-
ляется номинальным; точное значение угла среза определяется кон-
кретными требованиями к ТЧХ резонатора, зависит от порядка ис-
пользуемых колебаний и других факторов. Упругие волны сдвига
распространяются почти перпендикулярно плоскости среза, и толщи-
на ПЭ поэтому является волновым или частотным размером. Ча-
• стотный коэффициент равен примерно 2550 кГц-mm, почти в 1,5 ра-
за больше, чем у среза АТ, поэтому при одинаковой толщине воз-
буждаются соответственно более высокие частоты.
Пьезоэлементы имеют такие же форму и размеры, как и ПЭ
среза АТ: преимущественно форму дисков с плоскими или выпук-
198
Резонаторы БТ
лыми (сферическими) поверхностями. Реже ПЭ имеют форму пря-
моугольных пластин или обрезанных с двух сторон дисков.
На частотах от 2 до 5 МГц обычно используют ПЭ в виде
плоско- или двояковыпуклых линз. На более высоких частотах ис-
пользуют плоские пластины. Электроды ПЭ имеют круглую, реже
прямоугольную формы.
Классификация. Резонаторы БТ различаются по тем же
конструктивным данным и назначению, что и резонаторы АТ. Огра-
ниченная номенклатура резонаторов БТ существенно уменьшает
число практически используемых конструктивных вариантов.
13.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Диапазон частот 2—60 МГц, а для обер-
тонных резонаторов 10—150 МГц.
Спектр частот. Спектральные характеристики резонаторов
БТ похожи на характеристики резонаторов АТ. Поскольку * побоч-
ные резонансы имеют одинаковую природу, их расположение отно-
сительно рабочей частоты имеет незначительные отличия. Отмеча-
ется несколько большая интенсивность побочных резонансов, что,
по-видимому, объясняется круглой формой электродов, которая
для ПЭ среза БТ не оптимальна и не соответствует распределению
пьезоэлектрических зарядов. Используя электроды прямоугольной
или эллипсовидной формы, можно улучшить спектральные характе-
ристики. Существенных улучшений можно достичь, используя элек-
троды, масса которых рассчитана, исходя из условий захвата коле-
• баний. Эти возможности улучшения спектральных характеристик
резонаторов типа БТ практически реализуются редко. Резонаторы с
ПЭ в виде линз имеют интенсивные побочные резонансы, обуслов-
. ленные ангармоническими обертонами. «Гармонический» обертон,
частота которого почти в 3 раза выше, достаточно интенсивен, од-
нако более высокие обертоны малоинтенсивны. У плоских ПЭ ча-
стота обертона почти кратна частоте основного колебания, у линз
же она существенно отличается от кратного значения, и это разли-
чие тем больше, чем больше кривизна сферы линзы. Частоты ан-
гармонических обертонов у линз отстоят тем дальше от рабочей
частоты, чем больше кривизна сферы.
Зависимость частоты от температуры. Резонато-
. ры БТ имеют ТЧХ, близкие к квадратичной параболе. В действи-
тельности их кривые асимметричны, левые ветви имеют большую
крутизну, чем правые. Для приближенных расчетов кривые прини-
мают за квадратичные параболы, коэффициент а2 которых 'равен
—4,5- 10~81/(°С)2. Для более точных расчетов можно использовать
разные значения коэффициента а2 для левой и правой ветвей, ко-
торые соответственно составляют —6-Ю-8 и —3,5• 10~81/(°C)2. По-
этому резонаторы, предназначенные для работы в широком интер-
вале температур, должны иметь точку нулевого ТКЧ левее середи-
ны интервала. Для интервала в 100°С этот сдвиг составляет 7°С.
При этом изменения частоты на краях интервала будут одинаковы,
а общее изменение частоты — наименьшее [32]. Изменением угла
среза положение точки Го можно изменять в широких пределах —
от отрицательных до температур выше 100°С. В интервале темпера-
Электрические характеристики
199
тур 100°С изменение частоты резонатора БТ составляет 120-10-6,
что существенно больше, чем у резонаторов АТ. Это обстоятельство
ограничивает возможности применения резонаторов БТ.
Учитывая меньшую чувствительность ТЧХ к точности ориента-
ции пластин, изготовители могут обеспечить большую точность по-
ложения точки То по отношению к номинальному значению по срав-
нению с резонаторами АТ. Поэтому резонаторам БТ отдают пред-
почтение в случаях, когда резонаторы термостатируют. Большое
число резонаторов такого типа изготовляют на частотах 2—5 МГц.
Следует отметить, что при возбуждении линз среза БТ на
обертонах чувствительность ТЧХ к точности ориентации пластин и
кривизне сферического профиля существенно возрастает (рис. 13.1).
Рис. 13.1'. Зависимость параметра То от угла среза для
ПЭ БТ-среза для колебаний:
1 — первого порядка; 2, 3— третьего порядка
Эквивалентные параметры. Сопротивление. Значения
сопротивления у резонаторов БТ примерно такие же или несколь-
ко больше, чем у резонаторов АТ. Сопротивление у правильно рас-
считанных и выполненных резонаторов практически не зависит от
температуры.
Индуктивность. Резонаторы БТ характеризуются более высоки-
ми значениями индуктивности, чем резонаторы АТ. Индуктивность
резонаторов БТ при одинаковых размерах контура ПЭ и электродов
примерно в 4,5 раза больше, чем у резонаторов АТ. На рис. 13.2
показана область возможных значений индуктивности резонаторов
БТ. У резонаторов с ПЭ в виде линз индуктивность возрастает с
увеличением кривизны сферы. Рисунок 13.3 иллюстрирует характер
этой зависимости.
Значения параметров резонаторов на частоты 5—25 МГц при-
ведены в табл. 13.1.
Добротность. Резонаторы БТ характеризуются более вы-
сокими значениями добротности, которая в среднем может быть в
2 раза выше, чем у резонаторов АТ с такой же частотой и пример-
но одинаковыми геометрическими характеристиками ПЭ. Это явля-
ется преимуществом этих резонаторов. Значения добротности опре-
деляются конструктивными и технологическими факторами и колеб-
200
Резонаторы БТ
Таблица 13.!
Средние значения параметров резонаторов БТ на различные
частоты
Параметр Частота, МГц
5 10 15 -20 25
Сопротивле- ние, Ом Индуктив- ность, Г Добротность, QX10-6 8 26 2,6 1 ,7 2,3 3,9'
0,063 0,300 0,011 0,007 . 0,006 0,004
0,15 1 ,35 0,33 0 ,45 0,49 - я 0,19
Параллель- ная емкость, пФ 5,6 9,0 9,8 8,3 5,2 6,3
Емкостный коэффициент 480 2000 485 530 540 680
Примечание. Для частоты 5 МГц приведены значения параметров
резонаторов с ПЭ в виде плоских дисков слева и с ПЭ в виде плоско- и дво-
яковыпуклых линз справа.
Рис. 13.2. Область возможных зна-
чений индуктивности резонаторов
Рис. 13.3. Зависимость индуктивно-
сти резонаторов БТ с ПЭ в виде-
линз от радиуса сферы для коле-
баний:
1 — первого порядка; 2 — третьего
порядка
Электрические характеристики
201
лютея от 5-Ю4 до 2• 106 в зависимости от частоты. Добротность с
повышением частоты уменьшается так же, как и у резонаторов АТ.
Емкостный коэффициент. Параллельная емкость резо-
наторов БТ примерно в 1,5 раза, а эквивалентная емкость в 4,5 ра-
за меньше, чем у резонаторов АТ. Поэтому емкостный коэффициент
оказывается примерно в 3 раза больше, чем у резонаторов АТ, и
составляет обычно 650—700. Это дает основание относить резонато-
ры БТ к узкополосным. Однако на частотах 30—50 МГц резонато-
ры БТ при возбуждении колебаний первого порядка имеют мень-
ший емкостный коэффициент, чем возбуждаемые на обертонах ре-
зонаторы АТ той же частоты.
У резонаторов с ПЭ в форме линз емкостный коэффициент до-
стигает 2000.
Уровень возбуждения. Для резонаторов БТ устанавли-
вают нормы предельно допустимой мощности рассеяния те же, что
Рис. 13.4. Частотно-токовые
характеристики резонаторов
БТ с линзовыми ПЭ при
возбуждении колебаний тре-
тьего порядка:
1 — частота 5 МГц; 2 — ча-
стота 10 МГц
tf/f
и для резонаторов АТ, т. е. 1—2 мВт. При повышенных требова-
ниях к стабильности частоты генераторов рекомендуется снижать
эту норму в 3—4 раза.
Токовые характеристики отличаются от характеристик АТ зна-
ком изменения частоты: при увеличении тока через ПЭ частота по-
нижается. Величины изменения частоты при одинаковых изменениях
нагрузки у резонаторов БТ на порядок меньше, чем у резонаторов
АТ, что является преимуществом этих резонаторов. Токовые харак-
теристики существенно зависят от формы ПЭ. Например, у ПЭ,
имеющих форму линз, изменения частоты возрастают с увеличением
кривизны сферы. Пример токовой характеристики приведен на
рис. 13.4.
Старение. Вакуумные резонаторы БТ на частоты 2—5 МГц,
предназначенные для генераторов повышенной стабильности, как
показали исследования, за время работы в термостате при 60°С в
течение 3 лет имели наибольшие изменения частоты, не превышаю-
щие ±1-10-6. Гарантируемое старение для таких резонаторов за
время 10 лет ±2-10-6. Изменения частоты вакуумных резонаторов
на частоты выше 20 МГц за 5 лет в режиме хранения при нор-
мальной температуре составили +4-10-6. Для вакуумных резона-
торов обычно гарантируют старение за время 10 лет не хуже чем
'±10’10-6. Для герметизированных резонаторов в металлических
корпусах типа М с герметизацией пайкой обычно гарантируют из-
менения частоты ±(30—40)-10~8 за 10—12 лет.
202
Резонаторы БТ
13.3
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ/
Корпуса. На частоты от 2 до 25 МГц резонаторы выпускают
преимущественно вакуумными в корпусах С и Э, причем в корпусах
С выпускают резонаторы на частоты от 2 до 5 МГц, а в корпусах
Э — на частоты выше 5 МГц. Герметичные резонаторы выпускают
в корпусах М на частоты выше 20 МГц, учитывая, что они исполь-
зуются в относительно малостабильных устройствах.
Кварцедержатели и крепление пьезоэлемен-
тов. Крепление ПЭ среза БТ не имеет каких-либо отличий от креп-
ления ПЭ среза АТ, и для их монтажа используют те же конструк-
ции кварцедержателей.
Механическая прочность и устойчивость. Ме-
ханическая прочность резонаторов БТ такая же, как у резонаторов
АТ, поскольку конструкции корпусов, кварцедержателей и методы
крепления ПЭ совершенно одинаковы. Это же обстоятельство дает
основание считать, что устойчивость резонаторов БТ к внешним ме-
ханическим воздействиям примерно та же, что и для резонаторов
АТ. Точные данные об устойчивости резонаторов БТ отсутствуют, и
обычно руководствуются данными для резонаторов АТ.
Сведения о производстве. Резонаторы БТ достаточно
хорошо исследованы, и опыт их производства имеет большинство
предприятий. Следует отметить, что изготовители из-за незначи-
тельного влияния технологических факторов на основные характе-
ристики охотно выполняют заказы на резонаторы этого типа.
13.4
-РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
1. Резонаторы БТ рекомендуется использовать в малостабильных
кварцевых генераторах, работающих в условиях изменений темпе-
ратуры в широких пределах, нестабильность частоты которых имеет
порядок 10~4. При этом целесообразно использовать резонаторы на
частоты от 20 до 50—60 МГц при возбуждении резонаторов на
основной частоте и 60—150 МГц при возбуждении на обертоне
2. Рекомендуется использовать резонаторы в генераторах по-
вышенной стабильности с термостатированием, так как резонаторы
обладают в 1,5—2 раза более высокой добротностью и меньшим
старением.
3. Рекомендуется использовать резонаторы в кварцевых фидьт-
рах на частоты 30—50 МГц, где они имеют преимущества по срав-
нению с резонаторами АТ, работающими на обертонах, так как
имеют меньшие значения индуктивности и емкостного коэффициента.
4. Резонаторы могут использоваться в многокварцевых термо-
компенсированных генераторах.
Общие сведения
203
14.
Высокочастотные резонаторы
сложных срезов
14.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Историческая справка. В течение долгого времени прово-
дились исследования колебаний кварцевых пластин со сложной
ориентацией относительно основных осей кристалла. Срезы такой
ориентации принято называть дважды косыми или двухповоротны-
ми, поскольку они характеризуются двумя углами поворотов отно-
сительно осей кристалла и обозначаются yxbl/yffi Впервые резона-
торы с ПЭ такой ориентации были предложены еще в 1935 г. Бо-
ковым и Болдуином (США), исходя из патентных соображений, и
названы ими V) и V2 Эти срезы отличались от известных уже сре-
зов АТ и БТ дополнительным поворотом в плоскости XY на угол
±5° Углы среза (3 у ПЭ типов V) и V2 были почти такими же, как
и у ПЭ срезов АТ и БТ, а характеристики практически не отлича-
лись от характеристик резонаторов АТ и БТ. Широкого распро-
странения резонаторы V! и V2 не получили и в дальнейшем их из-
готовление было прекращено. Однако для семейства срезов
yxbljylfi сохранилось общее обозначение V1 [108]
В 1956 г Айвс и Боттом (США) опубликовали результаты ис-
следований среза с малым ТКЧ, названного ими срезом ИТ, с ори-
ентацией ухЫ1± 19°06735°. Резонаторы типа ИТ имели ТЧХ, похо-
жие на ТЧХ резонаторов типа АТ, однако расположенные в области
высоких температур [109].
В 1962 г. Бехман, Баллато и Лукашек (США) опубликовали
подробные исследования колебаний кварцевых пластин срезов V, в
результате которых был обнаружен срез РТ с очень малой зависи-
мостью частоты от температуры [ПО]. В дальнейшем были уточнены
многие другие характеристики известных резонаторов типа V, а
также обнаружены новые срезы этого семейства [111—116].
Особенности колебаний. Поворот среза, обусловлен-
ный углом у, определяет ориентацию ПЭ относительно осей кварца,
при которой электрическое поле, перпендикулярное плоскости сре-
за, возбуждает три компоненты деформаций и соответствующих им
толщинных колебаний, которые принято называть колебаниями А,
В и С. Направления смещений этих колебаний - перпендикулярны
друг другу, и в общем случае они не совпадают ни с нормалью к
плоскости среза, ни с самой плоскостью. Колебания А — продоль-
ные и смещения происходят в направлении, близком к нормали пло-
скости среза, а колебания В и С — поперечные, сдвиговые и сме-
1 Срезы и резонаторы V с положительными углами р далее обо-
значаются VI, а с отрицательными — V2.
204
Высокочастотные резонаторы сложных срезов
щения происходят в плоскости, нормальной к направлению смеще-
ний колебаний А и близкой к плоскости среза ПЭ.
Возбуждение трех толщинных колебаний ухудшает частотный
спектр резонаторов. Однако колебания вида .4 практически не воз-
буждаются, так как для их эффективного возбуждения требуется
форма ПЭ в виде вогнутых линз. Колебания же сдвига эффективно-
возбуждаются в ПЭ выпуклой формы. Принимают, что частоты упо-
мянутых колебаний всегда располагаются в такой последовательно-
сти: fa>fb>fc
Колебания пластин среза АТ являются колебаниями вида С.
Колебания пластин срезов VI с малым ТКЧ также являются ко-
лебаниями вида С, что определяет сходство их характеристик, в.
первую очередь ТЧХ, вследствие чего резонаторы типа VI нередко-
рассматривают как модификации резонаторов типа АТ. Для колеба-
ний вида В в срезах VI также обнаружены срезы с нулевым ТКЧ,
однако их ТЧХ имеют вид относительно крутых парабол. Колеба-
ния В срезов VI в резонаторах' не нашли практического приме-
нения.
Для колебаний сдвига пластин срезов VI, так же как и для
пластин АТ-среза характерны явление захвата колебаний и присут-
ствие близких ангармонических обертонов. Однако, в отличие от
пластин среза АТ, пластины срезов VI содержат еще интенсивные
побочные резонансы, обусловленные колебаниями В и его ангармо-
никами. По мере увеличения угла у интенсивность колебаний типа
С, являющихся рабочими, уменьшается, поэтому резонаторы, ПЕ>
которых имеют большие значения угла среза у, имеют малую актив-
ность, большие, чем резонаторы АТ, значения сопротивления и ин-
дуктивности.
У пьезоэлементов среза РТ, относящегося к группе срезов V2,
полезными также являются колебания вида С, однако в этом слу-
чае смещения происходят в плоскости, близкой к Y'Z'. Побочный
резонанс, обусловленный колебанием вида В, в зависимости от уг-
ла среза выше частоты рабочего на 8—13%.
Срезы и пьезоэлементы. Ориентация ПЭ среза V в
общем случае показана на рис. 9.8. Симметрия упругих свойств
кварца такова, что знак угла среза у не имеет значения и харак-
теристики резонаторов одинаковы для ПЭ с отрицательными и по-
ложительными углами у. Срезы VI с малым ТКЧ для всех значе-
ний угла у от 0 до ±30° имеют значения угла [3, близкие к 35°.
Таблица 14.1
Резонаторы V с двухповоротными срезами ПЭ толщинно-сдвиговых
колебаний
Обозначе- ние Угол среза Обозначение Угол среза
Vj ухЬЦ±3°&>° v2 ухЬЦ± 57—48°
ДП ухЬЦ±\3°Ы'/33° РТ ухЪЦ± 157—34°
ФЦ ухЫ/±\5°/35° ТС yxbZ/± 13’547—33°
ИТ тд ухЫ/ ±19’06735° yxbZ/±23’25735° -
Электрические характеристики
205
Для каждого значения угла у существует определенное значение
угла р, при котором средний ТКЧ имеет минимальное значение.
Пьезоэлементы имеют такие же форму и размеры пластин и
электродов, как и пьезоэлементы АТ. На частотах ниже 5 МГц ча-
сто используют ПЭ в форме плоско- или двояковыпуклых линз.
Классификация. Резонаторы V различают по срезам ПЭ,
и соответственно рассматривают их электрические характеристики.
В остальном они имеют те же признаки различия, что и резонато-
ры АТ. Обозначения, предложенные авторами для срезов, напри-
мер ИТ, РТ, ТС, используются и для обозначения соответствующих
типов резонаторов. В табл. 14.1 приведены обозначения и угловые
данные наиболее известных срезов и резонаторов V.
14.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон частот. Поскольку частотный коэффициент у ПЭ
срезов VI почти такой же, как и у пьезоэлементов АТ, их можно
изготовлять на те же частоты. Практически резонаторы VI изготов-
ляют на частоты от 1 до 25—30 МГц, используя колебания первого
порядка. Резонаторы VI, в которых используются колебания более
высоких порядков, изготовляют на те же частоты, но их можно из-
готовлять на частоты до 60—70 МГц.
Резонаторы V2 можно изготовлять на частоты от 2 до 35 МГц,
так как частотный коэффициент ПЭ для этих срезов выше. Сведе-
ний о применении обертонов в резонаторах V2 нет. Резонаторы
РТ, возбуждаемые на обертонах, имеют большие значения сопро-
тивления и индуктивности, следовательно, малую активность, что
затрудняет их практическое применение.
Спектр частот. Частотный спектр резонаторов V более
сложный, чем у резонаторов АТ и БТ, что обусловлено присутст-
вием колебаний В. Для резонаторов VI побочйые резонансы, обус-
ловленные колебаниями В, расположены выше рабочей частоты, в
то время как у резонаторов V2 они расположены ниже. У резона-
торов VI в зависимости от угла среза частоты побочных резонансов
(колебаний В) выше рабочей частоты на 8—13%.
На рис. 14.1 показаны спектральные характеристики резонато-
ров VI с разными углами среза у. Видно, как по мере увеличения
угла у промежуток между рабочей частотой и основным побочным
резонансом сокращается, а активность последнего возрастает. На-
блюдается большее число ангармонических обертонов как рабочего,
так и побочного колебаний.
Зависимость частоты от, температуры. У резо-
наторов VI температурно-частотные характеристики являются па-
раболами третьего порядка, похожими по своей форме на ТЧХ ре-*
зонаторов АТ. По мере увеличения угла среза у точка перегиба
ТЧХ Тд смещается в область более высоких температур. На рис.
14.2 изображена зависимость точки Гп от значения угла среза у,
а на рис. 14 3 приведены типичные ТЧХ резонаторов срезов VI с
разными значениями угла у. Небольшие изменения угла р вызы-
вают изменения угла наклона ТЧХ между точками Toi и Т02 и рас-
стояния между ними, подобно тому как это происходит у резонато-
ров АТ (см. § 12.2).
206
Высокочастотные резонаторы сложных срезов
5000 5250 5500 5750 6000fкГц
Тт °)
—Lhi ..
5000 5250
5500
5)
~5750 6000f,кГц
Ill .ilij ,
5000 5250
- । Iff T , т
'5000 5250
5500
И?
6000Г,кГц
5750 6000Г,кГц
5000 5250
>!,0
1 ib| dill и т ___________________
5500 5750 6000Г,кГц
д)
5000 5250 5500 5750 6000f,кГц
Рис. 14.1. Спектральные характеристики резонаторов VI с раз-
ными- углами среза у: а) 0°;
б) ±5°; в) ±13°54'; г) ±19°06'; or
д) 26°; е) 30°
120
100
80
60
чо
Рис. 14.2. Зависимость точки пе-
региба Тп ТЧХ резонаторов VI 5 10 15 20 25 ODOff
от угла среза у
Электрические характеристики
207
Используя ПЭ с разными значениями угла среза у> можно по-
лучать ТЧХ с разным расположением точек Тп, Toi и Тог- По срав-
нению с резонаторами АТ резонаторы VI более пригодны для ра-
боты в интервале положительных температур и для термостатиро-
вания, так как позволяют использовать в качестве рабочей точку
То2 на более высоких температурах и с меньшей крутизной. Срезы
с большими углами у позволяют использовать в качестве рабочей
точку ТОь Резонаторы VI, предназначенные для термостатирования,
менее чувствительны, чем резонаторы АТ, к изменениям угловой
ориентации (угла |3) примерно в 1,5—2 раза.
Пьезоэлементы V2 имеют только один практически полезный
срез — срез РТ (и его модификацию — срез ТС), ТЧХ которого
представлена на рис. 14.4 и достаточно точно может быть описана
квадратичной параболой. Коэффициент а2, характеризующий кру-
тизну параболы, очень мал и составляет около (0,6—1)х
X 10-81/(°С)2, т. е. в 5—8 раз меньше, чем у среза БТ. Основным
препятствием для широкого использования резонаторов РТ являют-
ся относительно невысокая активность колебаний на рабочей часто-
те и наличие весьма активного побочного резонанса, расположенного
.208
Высокочастотные резонаторы сложных срезов
примерно на 10% ниже рабочего. Сопротивление на частоте побоч-
ного резонанса оказывается в 4—5 раз меньше, чем на рабочей ча-
стоте, что, учитывая близость их частот, исключает использование
резонаторов в апериодических генераторах и требует введения в
них дополнительных избирательных элементов.
Рис. 14.5. Зависимости отношений
сопротивления (/) и индуктивности
(2) резонаторов АТ и VI от угла
среза у
Эквивалентные параметры. Все резонаторы тира V
характеризуются более высокими значениями сопротивления и ин-
дуктивности. По мере увеличения угла среза у значения этих пара-
метров возрастают. Для определения их значений можно руковод-
ствоваться . значениями параметров резонаторов АТ и приведенны-
ми на рис. 14.5 зависимостями отношений этих параметров от угла
среза у. В табл. 14.2 приведены значения параметров резонаторов
VI и АТ с одинаковыми геометрическими размерами 'и различны-
ми углами среза.
Т а б л и ц а 14.2
Параметры резонаторов VI и АТ
Обозначение среза
Примечание
АТ
ДТ!
ИТ
тд
ухЫ/26°/33 ,5°
ухЫ/30°/33°40'
АТ
ДП
ИТ
тд
46 3,4 2,3
55 3,5 2,3
70 5 0 2,3
110 7,5 2,3
20 0 13,6 2,0
315 20,5 2,0
430 28,0 2,0
20 1,4 2,2
30 2,0 2,2
48 3,5 2,2
80 5,8 2,2
69
93
69
Плоско-выпуклая линза
диаметром 22,5 мм с ра-
диусом .сферы 300 мм,
частота 5 МГц при воз-
буждении пятого обер-
тона
Плоско-выпуклая линза
диаметром 14 мм с ра-
диусом сферы 150 мм,
частота 5 МГц при воз-
буждении третьего обер-
тона
Резонаторы V2 (ТС и РТ) характеризуются очень высокими
значениями индуктивности, которые при одинаковых геометрических
характеристиках ПЭ имеют примерно в 20 раз более высокие зна-
Электрические характеристики
209
Т а блица 14.3
Параметры резонаторов РТ и ТС
Углы
среза у
и 3
Эквивалентные
параметры
Отношения эквива-
лентных параметров
Примечание
±15°/—33°
Т157—33°
±157—33°
+ 13°54'/
7—30,8°
3,010,0 127
4,0 10,0 71
5,010,0 35
8,0 5,0 40
0,70
0,39
0,23
2,90
340
340
430
2200
8,5
7 ,5
7,1
8,0
28,0
28,0
26,0
36,0
15°/—33°
4,0 15,0
4,5 15,0
5,0 15,0
5,7
6,8
7,1
23,0
19,3
17,5
Плоские ПЭ
диаметром 14 мм
Плоско-выпуклый
ПЭ
с радиусом
сферы 150 мм
Плоские ПЭ
диаметром 14 мм
чения, чем у резонаторов АТ (табл. 14.3). Индуктивность резона-
торов ИТ примерно в 2—3 раза больше, чем у резонаторов АТ.
Добротность. Резонаторы VI имеют такие же или несколь-
ко более высокие значения доб-
ротности, чем резонаторы АТ.
Резонаторы РТ имеют пример-
но втрое более высокие значе-
ния добротности, чем резона-
торы АТ.
Емкостной коэффи-
циент. Отношение емкостей
Co/Cj у резонаторов V возра-
стает с увеличением угла среза
у. Для резонаторов ИТ оно со-
ставляет около 600, а для резо-
наторов РТ оно заметно боль-
ше и достигает значения при-
мерно 3000. Большие значения
емкостного коэффициента ха-
рактеризуют эти резонаторы
как узкополосные и определяют
области их применения.
стоты резонаторов VI . (сверлу вниз
АТ, ДП, ИТ, ТД) от уровня возбуж-
дения (тока через кварц)
Уровень возбуждения. Точные данные о предельно до-
пустимой нагрузке резонаторов отсутствуют/ Считают, что допу-
стимая мощность рассеяния может быть такой же, как и для резо-
наторов типа АТ. Токовые характеристики некоторых резонаторов
VI приведены на рис. 14.6. Из характеристик видно, что эти резо-
наторы менее чувствительны к изменениям нагрузки, чем резона-
торы АТ.
210
Высокочастотные резонаторы сложных срезов
Старение. Резонаторы V имеют примерно те же величины
старения, что и резонаторы АТ. ,
14.3
. КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса, кварцедержатели. В конструктивном отноше-
нии резонаторы V не отличаются от резонаторов АТ. Для них ис-
пользуются те же типы крепления ПЭ и корпусов. Обычно их изго-
товляют в корпусах типов М, С и Э, однако их могут изготовлять
и в корпусах других типов.
Механическая прочность и устойчивость. Ме-
ханическая прочность резонаторов V такая же, как и резонаторов
,, , Ат. Для оценки механической ус-
'Н , тойчивости резонаторов важно
Рис. 14.7. Частотно-силовые харак-
теристики ПЭ срезов
1 — АТ; 2 — БТ; 3 — ДП; угол <р
отсчитывается от оси X
Значение СКЧ с увеличением
довольно заметно: у пьезоэлемент;
меньше, чем у ПЭ среза АТ. Пр1
знать частотно-силовые характери-
стики (ЧСХ) ПЭ, представляющие
зависимость частоты от угла при-
ложения силы в плоскости ПЭ.
Точки на кривой ЧСХ, соответст-
вующие нулевому изменению ча-
стоты, определяют положение ней-
тральных осей. Частотно-силовые
характеристики резонаторов неко-
торых срезов приведены на рис.
14.7. В качестве параметра для
сравнения ЧСХ введен силовой
коэффициент частоты (СКЧ), пред-
ставляющий отношение относи-
тельного изменения частоты, обус-
ловленного приложенным усилием,
к величине этого хсилия (117];
CK.4 — Af/fF, где F—приложенная
сила, Н.
угла у сначала уменьшается, и
i среза ИТ, например, СКЧ вдвое
дальнейшем увеличении угла у
происходит перераспределение уходов частоты: при значительном
уменьшении положительных изменений частоты возрастают отрица-
тельные изменения частоты. Если произвести алгебраическое сум-
мирование площадей, описываемых ЧСХ за период ее изменения,
можно определить ее интегральную величину (ИСКЧ). Оказывается,
что ИСКЧ монотонно уменьшается от максимальной положительной
величины для среза АТ до отрицательной для срезов с углом
>23° При угле у «23° ИСКЧ равен нулю. При этом наблюдаются
минимальные изменения частоты от механических воздействий. Пре-
имущество резонаторов с малым СКЧ можно проиллюстрировать
результатами такого эксперимента: резонатор исследуемого среза
помещался в опорный генератор, который устанавливался в при-
способление, обеспечивающее его поворот в трех взаимно перпенди-
кулярных плоскостях. Изменения частоты при этом фиксировались
с точностью до (1—2)-10-10. При этом оказалось, что изменение
Температурно-динамические характеристики
211
частоты резонаторов ДП, например, было вдвое, а среза ИТ —
вчетверо меньше, чем резонаторов АТ.
Сведения о производстве. Опыт производства резо-
наторов V имеют небольшое число предприятий. Серийно выпуска-
ются прецизионные резонаторы ИТ и другие резонаторы VI на ча-
стоту 5 МГц.
14.4
ТЕМПЕРАТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ТДХ)
Изменение частоты резонатора зависит не только от температуры
окружающей среды, но и от скорости ее изменения. При большой
скорости изменения температуры резонатора в ПЭ возникает ме-
няющийся во времени температурный градиент, который вызывает
возникновение в нем механических напряжений, сопровождающихся
изменениями частоты, намного большими, чем при медленном изме-
нении температуры на ту же величину. Например, если в опорном
генераторе температура термостата колеблется вблизи установив-
шегося значения с амплитудой 0,005°С и периодом 5—10 с, то из-за
Рис. Т4 8 Зависимость изменения частоты резонаторов АТ'(а) и ТД (б) от
времени при различной скорости нагрева термостата
возникновения температурных градиентов относительное изменение
частоты достигает величин порядка 1-Ю-8, в то время как измене-
ние частоты за счет статического ТКЧ при том же изменении тем-
пературы [величина его для прецизионных резонаторов не превы-
шает (1—2)-10-71/°Су составило бы всего (5—10)-10~10. Это по-
вышает жесткость требований к системе термостатирования генера-
торов: помимо поддержания температуры термостата с высокой
точностью, необходимо обеспечить еще и малую скорость ее изме-
нения относительно установившегося значения. Возникновение из-
212
Высокочастотные резонаторы сложных срезов
менений частоты вследствие изменяющегося температурного гра-
диента сводит на нет попытки сократить время эксплуатационной
готовности термостатируемых генераторов за счет форсирования
подогрева термостата. Ускорение нагрева увеличивает температур-
ные градиенты, следовательно, и изменения частоты: частота один
или несколько раз переходит установившееся значение, после чего
медленно приближается к нему (рис. 14.8).
Температурно-динамические свойства резонаторов удобно опре-
делять по величине отклонения частоты при синусоидальном изме-
нении температуры его корпуса с постоянной амплитудой, но раз-
ными периодами. В этом случае скорость изменения температуры
(производная от синусоидальной функции) не будет иметь разры-
вов и неопределенностей и колебания температуры .без искажения,
а только с ослаблением и сдвигом по фазе будут повторяться на
ПЭ [118, 119]. Тогда изменения частоты резонаторов можно описать
температурно-динамической характеристикой (ТДХ), определяющей
относительное изменение частоты от периода колебаний температу-
ры. Относительное изменение частоты при воздействии синусоидаль-
ного изменения температуры для определенного периода этого воз-
действия называют температурно-динамическим коэффициентом ча-
стоты: ТДКЧ/Т~ = Af/fA К где Af/f — амплитуда относительного из-
менения частоты; AV — амплитуда синусоидального изменения тем-
пературы; Т~ — период изменения температуры.
Температурно-динамическая
характеристика выражает зависи-
мость ТДКЧ от периода изменения
температуры.
При медленном изменении
температуры баллона резонатора
(большом периоде Т~) его часто-
та будет меняться в соответствии
с ТЧХ, и если при этом ТКЧ бли-
зок нулю, то колебания частоты
7 10 100 мин&укут малы, поскольку изменение
температуры по объему ПЭ бу-
Рис. 14.9. Типичная температурно-
динамическая характеристика резо-
натора
прохождении ее от баллона до
дет сопровождаться малыми гра-
диентами. С уменьшением периода
колебаний Тувеличивается за-
тухание температурной волны при
ПЭ. При большой частоте колебаний
температуры баллона происходит настолько значительное затухание'
температурной волны, что в ПЭ будут возникать лишь незначи-
тельные градиенты температуры, не вызывающие заметных измене-
ний частоты. Наиболее неблагоприятным будет такой период изме-
нения температуры, когда затухание температурной волны в держа-
теле будет еще небольшим, а ПЭ не будет успевать прогреваться
и остывать равномерно по всему объему. Поэтому типичная ТДХ
имеет вид, представленный на рис. 14.9. При исследовании ТДКЧ
резонаторов срезов АТ, БТ и VI было установлено, что изменение
частоты при воздействии на резонатор нестационарного температур-
ного поля обусловливается, в первую очередь, возникновением в
ПЭ радиальных механических напряжений [119], следовательно,
ТДКЧ связан с интегральным силовым коэффициентом частоты
Общие сведения
21&
(ИСКИ). Экспериментальная проверка подтвердила это предполо-
жение, что позволило создать срез с нулевым ТДКЧ — срез ТД
[114]. Преимущество среза с нулевым ТДКЧ при замере времени
установления частоты иллюстрируется рис. 14.8, где представлены
графики установления частоты резонаторов АТ и ТД (частота
5 МГц, третий обертон) в зависимости от скорости изменения тем-
пературы в термостате. Если в первом случае увеличение скорости
нагрева термостата практически не уменьшает времени установле-
ния частоты из-за «проскоков» частоты, тем больших, чем выше
скорость изменения температуры, то во втором случае даже при
скорости в 24°С/мин температурно-динамические эффекты еще не
проявляются, что обеспечивает трехкратное сокращение времени
установления частоты. Таким образом, применение среза ТД позво-
ляет существенно повысить кратковременную стабильность частоты,
обусловленную колебаниями температуры термостата, а также со-
кратить время установления частоты термостатированного генерато-
ра. Однако у резонаторов имеется недостаток, заключающийся в-
наличии побочного, более активного, резонанса вида В, что требует
применения избирательных элементов в схеме КГ.
14.5
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ
1. Резонаторы V как имеющие относительно узкий рёзонансныйг
промежуток рекомендуется использовать в узкополосных фильтрах
и генераторах на фиксированные частоты.
2. Резонаторы VI (ИТ, ДП, ФС) целесообразно использовать в
устройствах, работающих при повышенных температурах выше 0°С.
3. Прецизионные резонаторы VI имеют ряд преимуществ по
сравнению с резонаторами АТ, поскольку они обеспечивают лучшую
кратковременную стабильность частоты из-за меньшего ТДКЧ и
меньшей крутизны токовых характеристик, лучшую вибро- и4 ударо-
устойчивость из-за меньшей величины СКЧ.
4. Следует учитывать наличие интенсивных побочных резонан-
сов, особенно у резонаторов РТ, ТС и ТД.
15.
Прецизионные резонаторы
15.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под прецизионными резонаторами принято понимать резонаторы-
наивысших стабильности .и точности, предназначенные для таких
устройств, как первичные и вторичные эталоны частоты <и наиболее
точные хронометры. Еще 15—20 лет назад прецизионные резонаторы
преимущественно использовались в стационарных устройствах; тре-
бования к их габаритам, механической прочности и устойчивости не
играли существенной роли, они имели достаточно большие размеры*
'214
Прецизионные резонаторы
и являлись устройствами, требующими осторожного обращения.
Чаще это были резонаторы на частоты 100, 200, 500 и 1000 кГц, в
качестве корпусов которых использовались стеклянные баллоны от
радиоламп октальной серии (Ц). Очень высокая стабильность час-
тоты была получена на частотах 100 кГц и 2,5 МГц [6, 7]. Однако
резонаторы на 100 кГц обладают невысокой механической прочно-
стью и 1имеют большие габариты. Потребность в таких резонаторах
была невелика.
В настоящее время требования к прецизионным резонаторам
существенно .изменились, поскольку они используются в подвижных
объектах и тяжелых условиях эксплуатации. Если прежде основное
внимание уделялось долговременной стабильности частоты при по-
стоянстве температуры и других внешних воздействий, то в настоя-
щее время требуется, чтобы стабильность сохранялась в процессе су-
.щественных изменений климатических факторов и механических воз-
действий. Поскольку прецизионные резонаторы используются в уст-
ройствах, кратковременная нестабильность частоты которых должна
быть обычно не хуже чем 10-9, а долговременная — не хуже
10-7—10~8 за год, они должны иметь высокую добротность и
•очень малый (нулевой) ТКЧ в области высоких температур. Резо-
наторы работают в термостатах, температура которых поддержи-
вается постоянной с точностью от 0,01 до 0,0001 °C.
В зависимости от назначения и условий эксплуатации требова-
ния к параметрам прецизионных резонаторов могут существенно
различаться и содержать такие, которые для резонаторов широкого
применения не предъявляют Некоторые характеристики, например
зависимость частоты от уровня возбуждения, температурно-динами-
ческие характеристики частоты, гистерезис частоты после циклов
температурных и механических воздействий и прочие приобретают
существенное значение. Представления, что прецизионные резонаторы
исключительно используются в режиме термостатирования, также
следует считать устаревшими, поскольку термокомпенсированные ге-
нераторы уже имеют нестабильность 10-7 и следует ожидать, что
в ближайшее время она достигнет 10-8.
15.2
КЛАССИФИКАЦИЯ
Как в отечественной, так и в зарубежной промышленности намети-
лись две тенденции развития прецизионных резонаторов. Первая за-
ключается в разработке резонаторов на отдельные стандартные час-
тоты, вторая — в создании резонаторов на отдельные диапазоны
частот. При этом требования к резонаторам на дискретные часто-
ты остаются более высокими, чем к диапазонным резонаторам. На-
блюдается тенденция повышения частот прецизионных резонаторов
до 100 МГц.
В прецизионных резонаторах ранее использовались такие срезы
кварца, как X и ЖТ В настоящее время преобладают прецизион-
ные резонаторы с ПЭ среза АТ, возбуждаемые на обертонах. В по-
следнее время появляется интерес к использованию прецизионных
резонаторов с ПЭ срезов БТ и V Исключение составляют резонато-
ры на 1000 кГц и прецизионные резонаторы для генераторов со схе-
мами термокомпенсации, которые возбуждаются на основной час-
Основные данные прецизионных резонаторов разных типов
Таблица 15 1
Параметры Стационарная аппаратура Передвижная аппаратура Термокомпен- сированные кварцевые генераторы
Частота, МГц 1 ,0 2,5 5 ,0 2,49—5,3 4,6-5,25 5,0 5,0 10 ,0 2,5-3 0 10 — 20
Порядок колебаний 1 5 5 5 5 . 3 5 5 1 1,3
Точность настройкиХ ХЮ6 ± 1 ±0,5 ±0,25 ' 0,5 •0,5 + 0,5 ±0,5 ±0,5 ± 5 ±5
Интервал рабочих температур, °C 55-75 50-100 42-57 65—75 70-2 42 — 57 65—75 55-80 70 + 2 80—90 82-92 —Ю-^-70 —50—СО
ТКЧ в интервале ±2° С (1()7°С) 1 ,0 0 ,2 1 , 5 0 ,5 0,5 1 ,5 0,5 0,5 — —
ДобротностьХ 10-6 1 ,0 4 ,0 2,0 3,0 1 ,5 1 .7 2,0 0,8 0,5 0 ,3
Ста реп нс > 108 1,0 за 0,05 за 0,05 за 0,2 за + 10 за + 1 2 за + 5 за ± 1 0 за + 50 за ± 50 за
сутки через 48 ч сутки через 21 день сутки через 5 дней 1000 ч 6 мес 6 мес 6 мес. 6 мес. 6 мес. 6 мес.
Тип корпуса Ц70 Ж55 Ц70 Д49 С34 С3 4 СЗй Э27 С34 КБ
Классификация 215
216
Прецизионные резонаторы
тоте, так как на обертонах - резко уменьшается управляемость час-
тоты КГ. Резонаторы для КГ с термокомпенсацией характеризуют-
«ся тем, что они предназначены для использования в широком интер-
вале температур и должны обладать малой нестабильностью часто-
ты в заданном интервале.
К особой категории прецизионных резонаторов относятся резо-
наторы, обладающие высокой механической прочностью и устойчи-
востью, устойчивостью к климатическим, радиационным и другим
воздействиям. Высокая стабильность частоты вызывает необходи-
мость обеспечения повышенных требований как к традиционным па-
раметрам резонаторов (добротность, ТКЧ, старение, точность на-
стройки), так и к ряду специфичных, таких, как температурно-ди-
намическая характеристика, гистерезис частоты от температурных
воздействий, зависимость частоты от величины проходящего тока
и др. В зависимости от конкретных технических требований на пер-
вый план может выдвигаться тот или иной параметр.
По условиям эксплуатации различают следующие основные
группы прецизионных резонаторов: для эталонов частоты, работаю-
щих в стационарных условиях при постоянстве температуры; для
подвижной аппаратуры, работающей в условиях механических воз-
действий; для кварцевых генераторов с термокомпенсацией, рабо-
тающих в условиях изменяющихся внешних воздействий.
Основные характеристики некоторых прецизионных резонато-
ров АТ для различных условий приведены в табл. 15.1.
15.3
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
.Диапазон частот. Частоты прецизионных резонаторов в ос-
новном определяются возможностями обеспечения наивысшей ста-
бильности, хотя могут иметь значение и другие факторы, к числу
•которых относятся удобство использования в схемах радиоустройств,
малые габариты и т. д. В настоящее время наибольшее распростра-
нение получили резонаторы на частоту 5 МГц, имеющие неболь-
шие габариты и высокую стабильность. В последнее время намеча-
ется тенденция к повышению частоты прецизионных резонаторов до
десятков мегагерц. Это обусловлено требованиями дальнейшего
уменьшения габаритов и получения высокой спектральной чистоты
выходного сигнала при многократном умножении опорной частоты.
Диапазонные резонаторы изготовляют на частоты 5—7 и 10—
14 МГц.
Зависимость ot температуры. Температурно-частот-
ные характеристики прецизионных резонаторов не отличаются от
ТЧХ резонаторов широкого применения соответствующих типов, т. е.
резонаторов AT, VI и БТ.
Наибольшая нестабильность частоты резонаторов определяется
изменениями температуры, поэтому прецизионные резонаторы поме-
щают в термостаты с высокой точностью поддержания температуры.
Для уменьшения влияния термодинамических воздействий, вызыва-
чощих значительные изменения частоты, необходимо уменьшить не
только амплитуду колебания температуры термостата, но и скорость
»ee изменения. Температуру термостата устанавливают равной тем-
пературе нулевого ТКЧ и поддерживают ее на этом значении в те-
Электрические характеристики
217
чение всего срока эксплуатации. Это налагает жесткие условия на
характеристики термостатов.
Для достижения высокой температурной стабильности в тер-
мостатируемых опорных КГ применяют резонаторы, имеющие нуле-
вой ТКЧ выше предельной окружающей температуры. Обычно ис-
пользуют резонаторы АТ и реже VI. Могут быть использованы и
резонаторы БТ, обладающие
рядом преимуществ по срав-
нению с резонаторами АТ.
Однако их применение вви-
ду большей крутизны ТЧХ
налагает более жесткие тре-
бования на характеристики
термостата, особенно на точ-
ность поддержания темпера-
туры в течение всего срока
эксплуатации.
Температурная стабиль-
ность опорного КГ опреде-
ляется не только ТЧХ резо-
натора, но и конструкцией и
характеристиками термоста-
та: возможностью точной
установки на температуру
нулевого ТКЧ и поддержа-
ния ее постоянства в тече-
ние всего срока эксплуа-
тации.
При всех своих преиму-
ществах. термостатирован-
ные КГ обладают и опреде-
ленными эксплуатационны-
ми недостатками, особенно
заметными в связи с широ-
ким внедрением микроэлек-
троники. К ним относятся*
сравнительно длительное
время, необходимое для ус-
тановления частоты после включения, большие потребляемая мощ-
ность и габариты.
- Время установления частоты опорного КГ можно сократить,
используя резонаторы, внутренний объем которых заполнен инерт-
ным газом (обычно гелием) до давления 10—100 Па, при котором
еще не наблюдается снижения добротности (рис. 15.1).
Нестабильность частоты. При всем разнообразии тре-
бований к прецизионным резонаторам различного назначения основ-
ным остается требование по обеспечению высокой временной ста-
бильности. Принято различать стабильность кратковременную и дол-
говременную (старение). Под первой понимают стабильность за
время от миллисекунд до минуты, под второй — стабильность часто-
ты, суточную, месячную, годовую и т. д.
Остановимся на факторах, определяющих кратковременную ста-
бильность частоты резонаторов. Применительно к резонатору крат-
1 — резонатор, наполненный гелием; 2 —
вакуумный резонатор
218
Прецизионные резонаторы
ковременную стабильность трудно выделить, поскольку последняя
не может быть определена вне опорного кварцевого генератора и в
большей степени обусловлена его характеристиками, чем характе-
ристиками резонатора. На кратковременную стабильность частоты
влияют стабильность температуры термостата и плавность ее изме-
нения, режим возбуждения, нестабильность источников питания
и т. д. Кратковременная стабильность прежде всего определяется
такими характеристиками резонатора, как добротность, температур-
но-динамическими и токовыми характеристиками.
Добротность: Величина предельно достижимой добротности
резонатора обратно пропорциональна его частоте. Повышение доб-
ротности резонатора достигается уменьшением потерь энергии ко-
леблющегося ПЭ. Эти потери, за исключением потерь на внутрен-
нее трение в кварце, могут быть существенно уменьшены усовер-
шенствованием конструкции и технологии изготовления резонатора.
Так, вакуумирование позволяет практически полностью исключить
потери на акустическое излучение, полировка уменьшает рассея-
ние энергии колебаний в поверхностном слое ПЭ, использование
линзообразной формы способствует локализации колебаний в сред-
ней части ПЭ и уменьшению потерь в креплении, которые снижают-
ся в еще большей степени при возбуждении обертонов.
“Уровень возбуждения Кратковременная стабильность
частоты существенно зависит от токовых характеристик. Особенно
ощутима зависимость частоты от величины тока у «гармониковых'>
резонаторов. В опорных КГ большинства зарубежных фирм режим
возбуждения резонаторов ограничен весьма малыми величинами
тока, как правило, не превышающими 75 мкА [121]. Это полезно с
точки зрения как сокращения времени установления частоты КГ
после перерыва в их работе, так и повышения долговременной ста-
бильности. Однако на практике нередко приходится повышать уро-
вень возбуждения резонаторов до 1000 мкА, что ухудшает кратко-
временную стабильность частоты КГ.
Температурно-динамические характеристики.
Кратковременная стабильность частоты опорных КГ существенно
зависит от температурно-динамических характеристик частоты. Осо-
бенно это существенно для КГ с термокомпенсацией и малогаба-
ритных опорных КГ, когда ограничения по объему, массе и потреб-
лению энергии создают определенные трудности точного поддержа-
ния температуры термостатов. Температурно-динамические эффекты
оказывают заметное влияние и на время установления частоты
опорных КГ после включения. При разогреве термостата в ПЭ воз-
никают температурные градиенты, вызывающие изменения частоты,
много большие, чем обусловленные ТКЧ. Форсирование подогрева
вызывает появление еще больших по величине температурных гради-
ентов и соответственно больших изменений частоты.
Старение. Долговременная стабильность является важнейшей
характеристикой прецизионных резонаторов и определяется, в пер-
вую очередь, старением резонатора. При эксплуатации в течение
коротких промежутков времени (сутки, недели) на нестабильность
резонатора может накладываться нестабильность, обусловленная
процессами повторных включений и выключений опорного КГ.
Для уменьшения старения прецизионных резонаторов разработа-
ны процессы тщательной обработки: шлифовки, полировки и трав-
Электрические характеристики
219
ления кварцевых пластин, что позволяет удалить трещиноватый и
деформированный слой [6, 7]. Затем ПЭ подвергают термической
обработке и тщательной очистке поверхности. Важную роль играет
электродное покрытие. Из-за разности коэффициентов линейного рас-
ширения пьезокварца и материала электродов возникают механиче-
ские напряжения, изменение которых во времени приводит к изме-
нению частоты. Электродное покрытие взаимодействует с окружа-
ющей средой, сорбируя или десорбируя молекулы газа, следствием
чего являются изменения частоты. Учитывая все это, большое вни-
мание уделяется процессу подготовки ПЭ к нанесению электродов:
тщательной промывке, которую лучше всего завершать промывкой
в парах сверхчистых растворителей (трихлорэтилен, изопропиловый
спирт и др.), применению ионной очистки в вакууме; повышению
степени разрежения при напылении до 10-4 Па. Особое внимание
уделяют подготовке резонатора к процессу соединения основания с
баллоном, режиму вакуумирования, способу отделения резонатора
от откачной вакуумной системы. В случае использования баллонов
и оснований радиоламп их соединение осуществляют в пламени га-
зовой горелки, при этом продукты разложения стекла 'и сгорания
попадают во внутренний объем резонатора, где они осаждаются на
ПЭ и реагируют с его поверхностью. Этот эффект можно умень-
шить, осуществляя сварку баллона с основанием в среде инертного
газа или в вакууме Вакуумирование производят при разрежении
10~4 Па и температуре около 150—350° С. После отпайки штенгеля
баллона газоотделение из стекла приводит к ухудшению вакуума в
объеме резонатора на один-два порядка Начальные изменения
частоты после изготовления резонатора значительны и определя-
ются установлением сорбционных процессов и уменьшением внут-
ренних механических напряжений в ПЭ и системе его крепления.
Требуется время порядка нескольких суток, недель и даже месяцев
для того, чтобы исключить эти начальные изменения частоты и до-
стичь требуемой стабильности частоты.
Значительно лучшими с точки зрения обеспечения высокой
стабильности частоты являются конструкции резонаторов в стеклян-
ных корпусах, для соединения частей которых используют токи вы-
сокой частоты и конструкции резонаторов с холодносварными ме-
таллическими корпусами.
Повышение рабочей температуры увеличивает старение, так как
при более высокой температуре интенсифицируются релаксацион-
ные, диффузионные, сорбционные и другие процессы, вызывающие
изменение частоты. Отмечается, что при работе резонаторов АТ на
2,5 МГц, возбуждаемых на пятом обертоне, старение систематиче-
ски увеличивалось при повышении рабочей температуры с 50 до
75°С. На рис. 15.2 приведена примерная зависимость изменения су-
точной нестабильности частоты от температуры термостатирования ре-
зонаторов, полученная путем анализа данных многих авторов. Од-
нако этими данными можно пользоваться с известной осторож-
ностью, поскольку они относятся к резонаторам отличающихся кон-
струкций, изготовленных по разной технологии и испытанных при
разных режимах возбуждения.
В [121] приведены материалы по старению резонаторов одной
конструкции среза АТ на 5 МГц, возбуждаемых на пятом оберто-
не. Резонаторы имеют одинаковую конструкцию, выполнены по оди-
220
Прецизионные резонаторы
Рис. 15.2. Зависимость нестабильности
частоты (суточной) от температуры тер-
мостатирования
наковой технологии и испытаны по общей методике при темпера-
турах 50, 60 и 70° С при мощности рассеяния 50 мкВт. За 120 дней
изменение частоты резонаторов, испытывавшихся в рабочем режиме,
составило соответственно —0,7-10-7; (—0,74-+0,9) • 10-7: (—2,6-г-
-j~+3,6)-10~7. В первом случае
наблюдалось только понижение
частоты; во втором и особенно
в третьем случаях частота од-
них резонаторов повышалась,
других — понижалась и у не-
которых — меняла знак в про-
цессе испытаний. Часть резона-
торов находилась в режиме
хранения при температурах
25±10°С и (—30-т-+30)°С.
Изменения частоты этих резо-
наторов близки к полеченным
при испытаниях при темпера-
туре 50° С. На рис. 15.3—15.6
представлены характеристики
старения резонаторов в рабо-
чем режиме на частоты 5 и 10
МГц на пятом обертоне при
температурах 70 и 85° С. При
повышении температуры на'блюдается тенденция к увеличению старе-
ния, более заметная у резонаторов на частоту 10 МГц.
Отметим влияние уровня возбуждения резонаторов на их ста-
рение. По данным [47] изменение режима возбуждения «гармони-
ковых» резонаторов АТ на 2,5 и 5 МГц с 75 до 750 мкА изменило
величину месячного старения с 1-Ю-10 до 1,5 ПО-9. Это связано не
только с увеличением амплитуды колебаний кристалла, но и с влия-
нием нестабильности уровня возбуждения.
Электрические характеристики
221
Для улучшения характеристик старения используется метод тех-
нологического прогона прецизионных резонаторов при режиме воз-
буждения и температуре, близких к эксплуатационным. Длитель-
Рис. 15.4. Характеристики старения резонато-
ров АТ, 5 МГц при рабочей температуре
+85° С
ность прогона зависит от требований, предъявляемых к резонато-
рам по долговременной стабильности, и может колебаться от двух
Рис. 15.5. Характеристики старения резонаторов АТ, 10 МГц при рабочей тем-
пературе 70° С
ных устанавливается норма предельного изменения частоты за 5—10
последних дней прогона, обеспечение которой гарантирует получе-
ние заданных требований по долговременной стабильности частоты.
Например, для резонаторов на частоту 5 МГц длительность техно-
логического прогона составляет не менее 20 дней, причем частота
за последние 10 дней прогона должна изменяться не более чем на
222
Прецизионные резонаторы
±3-10~8. Прошедшие такой прогон резонаторы обеспечивают старе-
ние не более ±1,2-10-7 за шесть месяцев эксплуатации или хранения.
Резонаторы [121] на частоту 5 МГц (пятый обертон) подвергают-
ся непрерывному шестимесячному технологическому прогону. Нор-
Рис 15 7 Изменение частоты резонатора в резуль
тате выключения кварцевого генератора
ма на старение за последний месяц прогона — не более ±1 -10~9.
После такой тренировки резонаторы обеспечивают месячную ста-
бильность частоты не хуже ±1 • 10-9. В процессе проведения техно-
логического прогона изменения частоты за счет старения могут
быть разных знаков (рис. 15 6). У резонаторов, прошедших техно-
логический прогон, после их выключения частота понижается, а при
повторном включении наблюдается ее повышение (рис. 15.7).
После отключения опорного генератора или его термостата на
более или менее длительное время и последующего включения час-
Конструктивные данные
223
1луоик.ихл циклы you-/и и;
Рис 15 8 Изменения частоты
резонаторов, наблюдающиеся в
процессе технологических цик-
лов изменения температуры
тота устанавливается не сразу. Обычно требуется время от несколь-
ких дней до нескольких недель для установления частоты [122],
причем ее установившееся значение может отличаться от первона-
чально измеренного обычно в пределах (1—10)-10-9. Это отнюдь не
связано с. изменением температуры термостата, которая устанавли-
вается за относительно короткое время (за несколько часов). При-
чины, лежащие в основе этих гисте-
резисных явлений, заключаются в ми-
грации остаточных газов в объеме ре-
зонатора при изменении температуры
и режима возбуждения [122], измене-
нии механических напряжений в си-
стеме крепления [97], о чем уже упо-
миналось ранее. Особенно велика
роль первого фактора. Уменьшение
невоспроизводимости частоты и уско-
рение процесса ёе установления после
включения опорного генератора до-
стигаются повышением качества
очистки перед герметизацией резона-
торов, повышением степени вакуума
и температуры, при которой произво-
дят вакуумирование: На стабильность
частоты резонаторов влияют цикличе-
ские .воздействия температуры, кото-
рые приводят к гистерезису «астоты
от ±(1—2)-10-7 до. ±(2—5)-10-8
при изменении температуры от —60
до ±(50—70) ° С Такие воздействия
имеют место в опорных генераторах,
используемых в передвижных объектах, где аппаратур-а может пе-
риодически включаться и выключаться
Основной причиной, обусловливающей проявление гистерезиса
частоты прецизионных резонаторов, является релаксация механиче-
ских напряжений в системе крепления ПЭ при температурных воз-
действиях [123]. Гистерезис можно уменьшать, осуществляя креп-
ление ПЭ в точках, где ЧСХ равна нулю, и применением более ста-
бильных материалов вместо серебряной пасты. Эффективным оказы-
вается монтаж ПЭ с помощью проводящих клеев и термокомпресси-
онной сварки [124]. Проверенным технологическим приемом, позво-
ляющим заметно снизить гистерезисные эффекты, является трени-
ровка многократными термоциклами [124, 125]. При этом наблю-
даются изменения частоты, достигающие (3—10) -10—7, после чего
воздействие температурных циклов (—60+ + 70)°С сказывается в
мень!пей степени (рис. 15 8).
15.4
КОНСТРУКТИВНЫЕ ДАННЫЕ
Корпуса Наибольшее распространение получили резонаторы в
корпусах Ц, Д и С. В корпусах Ц выпускаются резонаторы ранних
конструкций В последнее время большая часть прецизионных резо-
наторов выпускается в корпусах С41 или С34. Для уменьшения раз-
224
Прецизионные резонаторы
меров практикуют горизонтальную установку ПЭ, что позволяет ис-
пользовать корпуса С29. Прецизионные резонаторы выпускают так-
же в стеклянных корпусах меньших размеров Э и КБ. Резона-
торы имеют обычно гибкие выводы.
Механическая прочность и устойчивость. Ши-
рокое использование прецизионных резонаторов в передвижных объ-
ектах потребовало создания конструкций, обладающих высокой ме-
ханической прочностью и устойчивостью. Основными факторами, оп-
ределяющими изменения частоты при механических воздействиях,
являются изменения, происходящие в системе крепления ПЭ.
Прецизионные резонаторы обеспечивают стабильность частоты в
пределах (5—10)-10"8 от воздействия вибраций до 2000 Гц с уско-
рением до 10 g, ударных нагрузок до 40 g, линейных ускорений до
25 g
Следует подчеркнуть, что в реальных условиях механическая ус-
тойчивость— параметр, определяемый не только и не столько квар-
цевым резонатором, сколько опорным КГ, его конструкцией, спосо-
бом закрепления резонатора. Поэтому изменения частоты резонато-
ра от механических воздействий при испытаниях отдельно и в со-
ставе опорною генератора могут различаться на порядок. Обус-
ловливается это как неизбежной естественной амортизацией в со-
ставе опорного генератора, так и меньшей погрешностью измерений.
При ужесточении требований по механической устойчивости не-
обходимо учитывать частотно-силовые характеристики ПЭ. Напри-
мер, крепление ПЭ среза АТ под углом 60° к оси X (в точках
прохождения ЧСХ через нуль) позволило уменьшить изменение час-
тоты резонатора на 5 МГц с (2—3)-10~8 до (1-2)-10~9 (от изме-
нения направления силы тяжести при повороте резонатора вокруг
оси, совпадающей с центром тяжести ПЭ). Для повышения механи-
ческой устойчивости резонаторов целесообразно использовать двух-
поворотные срезы VI
15.5
ВОЗМОЖНОСТИ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
Дальнейшее совершенствование прецизионных резонаторов связано с
использованием стеклянных корпусов, герметизируемых токами вы-
сокой частоты. Хорошие характеристики имеют резонаторы в ме-
таллических корпусах, герметизируемых методом холодной сварки.
Применение металлических корпусов позволяет производить более
тщательную очистку их путем прокаливания в вакууме и тем са-
мым уменьшить загрязнение резонаторов. Другим важным преиму-
ществом таких конструкций является осуществление холодной свар-
ки непосредственно в вакууме, что позволяет уменьшить загрязне-
ния объема и ухудшение вакуума при герметизации. Отсутствие на-
грева в процессе герметизации позволяет повысить точность на-
стройки частоты.
Многие технологические процессы и приемы, широко применя-
емые в электровакуумной и микроэлектронной технологии, должны
широко использоваться при производстве кварцевых резонаторов
(методы очистки поверхностей, термокомпрессионная сварка, высо-
ковакуумная откачка до 10-6 Па при напылении электродов и ваку-
умировании, отжиг в вакууме).
Общие сведения
225
Улучшение параметров прецизионных резонаторов в результате
совершенствования конструкции и технологического процесса позво-
лит на пррядок поднять долговременную стабильность КГ по срав-
нению с данными табл. 15.1 и в 2—3 раза уменьшить объем резо-
наторов. 1
16.
Микроэлектронные
пьезоэлектрические устройства
16.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Микроминиатюризация аппаратуры и необходимость повышения ее
надежности выдвигают новые требования к устройствам стабили-
зации и селекции частоты. Использование конструкций таких уст-
ройств, в которых применяются резонаторы как отдельные компо-
ненты, становится малопригодным.
Традиционные конструкции кварцевых генераторов и кварцевых
фильтров классов компонентной схемотехники обладают существен-
ными недостатками, в частности:
пониженной надежностью, поскольку схема и пьезоэлектриче-
ский резонатор представляют собой различные функциональные
узлы;
значительными габаритами из-за необходимости использования
отдельных корпусов для резонаторов и схемы;
необходимостью применения технологических эквивалентов ге-
нераторов для настройки резонаторов;
трудностью эффективного электрического согласования схемы ус-
тройства с применяемым резонатором.
Решение задачи создания миниатюрных и высоконадежных КГ
и КФ, совместимых с микросхемами, заключается в реализации
принципов технологической и физической интеграции при их проек-
тировании. При этом разработка схем устройств в отрыве от при-
меняемого типа резонатора и использование устройства и резона-
тора как двух отдельных конструктивных узлов исключаются
Снизить габариты и повысить надежность пьезоэлектрических
устройств позволяет использование методов микроэлектронной тех-
нологии. Вопросы создания таких пьезоэлектрических устройств ле-
жат в сфере успешно развивающегося нового раздела микроэлек-
троники — пьезотроники Наиболее актуальными ее задачами явля-
ются разработка интегральных КГ (ИКГ) и интегральных кварце-
вых фильтров (ИКФ), представляющих законченнее функциональ-
ные устройства Многие предприятия, выпускающие резонаторы, ос-
воили их выпуск. При этом потребитель получает готовые генера-
торы и фильтры, и ему нет необходимости в самостоятельной их
разработке и изготовлении, а также заказе резонаторов.
8—104
226
Микроэлектронные пьезоэлектрические устройства
16.2
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Интегральные кварцевые генераторы первого поколения характери-
зуются технологической интеграцией электрической схемы и кварце---
вого вибратора, которые размещаются в общем корпусе. За рубе-
жом широкое распространение получили ИКГ в круглых металличе-
ских корпусах типа ТО-5. Не имеется каких-либо принципиальных
ограничений для выполнения таких генераторов и в корпусах дру-
гих типов. В СССР получили распространение ИКГ в плоских пря-
моугольных и круглых металлических корпусах от микросхем и в
вакуумных стеклянных баллонах от резонаторов типа Э.
Принцип построения ИКГ второго поколения заключается в рас-
положении элементов микросхемы на поверхности ПЭ. При этом
пьезоэлемент принято называть пьезоподложкой. Впервые такой
Рис 16.1. Электрическая схема
интегрального кварцевого гене-
ратора с пьезотрансформатором,
в качестве которого использован
трехполюсный кварцевый вибра-
тор крутильных колебаний
Рис. 16.2. Устройство монолитного
кварцевого фильтра
принцип построения КГ был предложен в СССР [126]. В низкочас-
тотных ИКГ (до 800 кГц) оказывается целесообразным использо-
вать пьезоподложку, на которую наносят возбуждающие электроды
и пленочные элементы схемы. Активные элементы схемы располага-
ют на вспомогательных элементах конструкции внутри баллона ге-
нератора.
В высокочастотных ИКГ (свыше 4,0 МГц) используется прин-
цип захвата энергии, позволяющий значительно разнообразить то-
пологические варианты микросхем и реализовать сложные схемы
на пьезоподложке.
В ИКГ распространение получила схема с пьезотрансформато-
ром, отличающаяся надежностью, минимальным числом элементов
и отсутствием в ней конденсаторов и индуктивностей. Необходимые
фазовые соотношения в такой схеме осуществляются пьезотранс-
форматором. Простейший вариант схемы ИКГ с пьезотрансформа-
тором показан на рис. 16.1. Стабильность частоты таких ИКГ прак-
тически определяется стабильностью частоты кварцевого вибратора.
Диапазон частот схемы широк (от 10 кГц до 20 МГц). По такой
схеме выпускают ИКГ в стеклянных корпусах Э от рёзонаторов на
Интегральные кварцевые фильтры
227
частоты до 800 кГц, а на более высокие частоты—в прямоугольных
металлических корпусах для микросхем К-151 (6X14,5X19,5 мм).
Примерные параметры ИКГ в корпусах Э32—Э52 следующие:
Диапазон частот, кГц
Напряжение питания, В
Амплитуда выходного напряжения, В,
и форма ..........................
Изменение частоты в интервале ра-
бочих температур от —50 до +80° С
Изменение частоты при изменении на-
пряжения питания на ±10%
Масса, г.................... . .
10—800
3—7
0,002—0,3 (синус),
0,2—2 (меандр)
менее 100-10-6
не более ± 0,5-10~6
не более 6
В корпусах К-151 и круглых металлических корпусах от резо-
наторов ТА и ТБ (с дополнительными выводами) выпускают ИКГ
по более сложным схемам, включающим буфферные каскады, с уп-
равлением по частоте, дублированные, два ИКГ с выделением раз-
ностной частоты, с термокомпенсацией.
16.3
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ
Использование в микроэлектронной аппаратуре пьезоэлектрических
фильтров традиционного исполнения крайне невыгодно. Фильтры, со-
держащие такие элементы, как индуктивности и трансформаторы,
трудно поддаются миниатюризации. Качественный скачок в создании
миниатюрных кварцевых фильтров, совместимых с микросхемами,
произошел после создания интегральных пьезоэлектрических фильт-
ров, называемых также монолитными, в которых характеристика
фильтра формируется за счет акустической связи резонаторов, реали-
зованных на одной -пьезоподложке. В этих фильтрах используется яв-
ление захвата энергии. Различные амплитудно-частотные характери-
стики получают вариацией размеров и расположения электродов на
пьезоподложке. При этом на одной пьезоподложке можно располо-
жить несколько акустически связанных между собой -резонаторов
(рис. 16.2).
Интегральные КФ с использованием явления захвата энергии бы-
ли созданы в 60-х годах и в настоящее время широко разрабатыва-
ются и изготавливаются как за рубежом, так и в СССР. Объем этих
ИКФ на два порядка меньше, а стоимость более чем в 3 раза ниже
по сравнению с обычными КФ. Для облегчения настройки и внеш-
него электрического согласования со схемой прибора ИКФ часто
выполняется с буферными каскадами, выполненными в виде гибрид-
но-пленочной микросхемы, которые размещаются в общем корпусе
с ИКФ.
Полосовые ИКФ могут быть реализованы в результате не толь-
ко акустической связи резонаторов, но и использования фазоинвер-
тора на активном элементе с включением резонаторов в его плечи
(рис. 16.3). При этом резонаторы могут быть выполнены как в виде
отдельных вибраторов, так и в виде акустически изолированных ре-
зонаторов на д?дной пъезоподложкс. Такие ИКФ могут проектиро-
ваться на любые частоты диапазона кварцевых резонаторов.
Проводимые в последние годы за рубежом и в СССР интенсив-
ные исследования в области ВЧ и СВЧ акустики привели к созда-
8*
228
Микроэлектронные пьезоэлектрические устройства
нию новых функциональных микроэлектронных устройств с использо-
ванием поверхностных акустических волн (ПАВ). Применение пос-
ледних в радиоэлектронных устройствах имеет преимущества перед
объемными волнами Важным свойством ПАВ является возможность
доступа к сигналу во многих точках С помощью пленочной техно-
логии можно реализовать широкий класс пьезотронных устройств на
ПАВ — линии задержки, резонаторы, фильтры, генераторы Особый
интерес представляют фильтры на ПАВ, которые отличаются высо-
кой надежностью, малыми габаритами и возможностью получения
Широкой полосы пропускания и разнообразия амплитудно-частотных
характеристик
Рис 16 3 Электрическая
схема интегрального кварце
вого фильтра с фазоинвер-
тором на активном эле
менте
Рис 16 4 Устройство пьезо
электрического фильтра на
акустических поверхностных
волнах
Для возбуждения и приема ПАВ в фильтрах используются так
называемые встречно-штыревые преобразовательные электродные
структуры гребенчатого типа, изготавливаемые методами тонкопле-
ночной технологии Такой преобразователь, работающий как излуча-
тель ПАВ, создает на поверхности пьезоподложки пространственно-
периодическую систему деформаций Если период гребенки преоб-
разователя совпадает с длиной ПАВ, происходит синфазное сложе-
ние упругих деформаций Это явление, составляющее физическую
основу устройств на ПАВ, получило название акустического ’син-
хронизма Встречно-штыревой преобразователь-приемник аналоги-
Таблица 16 1
Параметры интегральных кварцевых фильтров
Параметры ИКФ на объ- емных Волнах ИКФ на ПАВ
Относительная ширина полосы пропускания, % 0,005—0,25 0 5—40
Коэффициент прямоуголь ности 1 5—3 0 2—3
Затухание в полосе задер живания, дБ Вносимые потери в поло се пропускания, дБ 30—80 20—60
1,5—6,0 8-40
Резонаторы с пленочными нагревателями
229
чен излучающему преобразователю Наличие по меньшей мере двух
преобразователей на пьезоподложке позволяет построить полосовой
ИПФ (рис 16 4)
Фильтры на ПАВ могут работать на частотах от единиц до со-
Tetf мегагерц Верхняя граница диапазона частот определяется раз-
решающей способностью процесса изготовления гребенчатых преоб-
разователей Ориентировочные значения параметров ИПФ приведе-
ны в табл 16 1
Конструктивно фильтры ПАВ выполняются чаще всего в плос-
ких металлических корпусах от микросхем К-151 с размерами
4,5X14,5X19,5 мм
16.4
РЕЗОНАТОРЫ С ПЛЕНОЧНЫМИ НАГРЕВАТЕЛЯМИ
Термостаты, используемые для стабилизации температуры резонато-
ров в КГ и КФ, намного увеличивают размеры и массу последних.
Требования миниатюризации привели к созданию особого класса ре-
зонаторов, являющихся интегральными устройствами Особенностью
этих резонаторов является размещение на поверхности ПЭ пленоч-
Рис 16 5 Пленочные нагреватели на пьезоэлементе
а) отдельный, б) совмещенный с электродом
ных резисторов — нагревателей и датчиков, что позволяет исклю-
чить использование наружного термостата Возможны два типа та-
кого рода устройств — с отдельным и совмещенным нагревателями.
Отдельный нагреватель обычно выполняют в виде тонкой резистив-
ной пленки, нанесенной по периферии ПЭ (рис 16 5а) Совмещен-
ный нагреватель представляет электрод ПЭ с двумя отводами для
включения в цепь питания подогрева На рис 16 56 показано такое
устройство, а также его схемное изображение
Резонаторы с пленочными нагревателями могут использоваться
в режиме термостатирования с внешним терморегулятором, для чего
необходимо наличие на ПЭ пленочного или навесного датчика тем-
пературы Кроме того, возможно их использование в режиме нере-
гулируемого нагрева, т. е при подключении нагревателей к источ-
нику постоянного напряжения. При этом необходимости в датчиках
нет Исследование подобных устройств позволило установить воз-
можность существенного повышения стабильности частоты На рис.
230
Микроэлектронные пьезоэлектрические устройства
16 6 изображены ТЧХ резонатора с ПЭ среза АП50 на частоту
400 кГц в корпусе С1, иллюстрирующие эффект работы в режиме
нерегулируемого нагрева. Простота и малые размеры устройств, вы-
полненных в стеклянном корпусе С, небольшое потребление энер-
гии (0,3 Вт) позволяют считать их перспективными. Уменьшение
Af/f
Рис 16 6 ТЧХ резонатора с ПЭ среза АП 50
на частоту 400 кГц в корпусе С1
1 — без нагрева, 2 — при нагреве от источника
постоянного напряжения
теплопроводности выводов и теплоизоляция корпуса позволяет сни-
зить расход энергии нагрева в несколько раз [127, 128] и умень-
шить ТКЧ такого устройства.
16.5
БЕСКОРПУСНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Развитие микроэлектроники позволило создать так называемые гиб-
ридные микросхемы, в которых широко используются бескорпусные
элементы и детали — транзисторы, диоды, конденсаторы и пр. Мик-
роэлектроника коснулась техники кварцевой стабилизации и селек-
ции частоты, вследствие чего возникли пьезоэлектрические устрой-
ства, представляющие гибридные интегральные схемы (ГИС). Ин-
тегральные кварцевые генераторы и фильтры в большинстве случа-
ев являются такими ГИС, содержащими в числе навесных бескор-
пусных элементов бескорпусные резонаторы. Элементы пьезоэлектри-
ческих ГИС заключены в общий герметичный корпус, который защи-
щает их, в том числе и резонатор от воздействий внешней среды.
Потребители называют по аналогии такие резонаторы, предназна-
ченные для использования в ИКГ и ИКФ, бескорпусными Тер-
мин «бескорпусный резонатор» получил право на существование, по-
скольку он относится не просто к детали (пьезоэлементу), а явля-
ется законченным элементом, изготовляемым на специализирован-
ном предприятии по определенным техническим условиям Пред-
приятия, изготавливающие кварцевые резонаторы, не в состоянии
обеспечйть выпуск большого числа разнообразных и значительно
Бескорпусные резонаторы
231
более сложных и трудоемких ИКГ и ИКФ. Как типичные микро-
схемы частного применения ИКГ и ИКФ выпускаются предприятия-
ми-потребителями резонаторов. Их выпуск мог бы значительно воз-
расти при обеспечении в нужном объеме поставок бескорпусных ре-
зонаторов. Производство бескорпусных резонаторов только начина-
ет развиваться, их типы и технические требования к ним еще четко
не определились.
Технические требования на бескорпусные резонаторы отличают-
ся от требований на обычные резонаторы. Они не содержат требо-
ваний к стабильности частоты при некоторых внешних воздействи-
ях, в частности влажности, атмосферного давления, внешних меха-
нических сил. В отличие от других бескорпусных элементов, имею-
щих защитные покрытия, предохраняющие их от кратковременных
воздействий, внешней среды при хранении и в процессе производ-
ства до момента герметизации корпуса интегрального устройства,
бескорпусные резонаторы не имеют каких-либо защитных покры-
тий Необходимости в создании защитных покрытий нет, посколь-
ку кварц и нанесенные на него пленочные покрытия достаточно ус-
тойчивы и кратковременный контакт их с внешней средой не вы-
зывает каких-либо нежелательных последствий. Тем не менее бес-
корпусные резонаторы поставляются в специальной герметичной
таре, например в запаянных стеклянных или металлических ампу-
лах, заполненных сухим инертным газом или воздухом. Потреби-
тель обязан соблюдать требования в отношении их хранения и
обращения в процессе производства, оговоренные в технических ус-
ловиях.
В технических условиях на бескорпусные резонаторы обычно
указывается допустимое отклонение частоты от номинального зна-
чения, температурная нестабильность частоты, максимальные значе-
ния сопротивления, а для резонаторов для фильтров — также зна-
чение индуктивности. В числе конструктивных требований указы-
ваются размеры кристаллического элемента, размеры, расположение
и форма отводов-держателей и контактных площадок с точным обо-
значением мест присоединения. Проволочные отводы-держатели
должны иметь определенную прочность соединения с пьезоэлемен-
том, которую обычно определяют как отрывное усилие и прини-
мают равным в пределах от 0,5 до 1 кг. Технические условия на
бескорпусные резонаторы должны содержать условия хранения, до-
пустимые Методы монтажа и настройки частоты, а также обраще-
ния в процессе производства. Использование бескорпусных резона-
торов налагает на потребителей необходимость подробного изучения
особенностей финишных операций кварцевого производства с тем,
чтобы они точно учитывались в процессе проектирования ИКГ и
ИКФ и составлении технологии их изготовления. Особое внимание
должно уделяться исключению возможных загрязнений поверхности
ПЭ и всего внутреннего объема корпуса, а также совместимости с
другими элементами ИКГ и ИКФ-
Основное требование, предъявляемое к бескорпусным резонато-
рам, — миниатюрность, обусловленная необходимостью их размеще-
ния в стандартных корпусах микросхем, поэтому размеры бескорпус-
ных резонаторов значительно меньше размеров ПЭ обычных резо-
наторов В то же время их электрические параметры не должны за-
метно уступать параметрам обычных резонаторов. Для некоторых
232
Микроэлектронные пьезоэлектрические устройства
типов бескорпусных резонаторов эту задачу удалось успешно
решить.
Наибольшие трудности возникают при устранении влияния креп-
ления после установки резонаторов в корпус. Принимается ряд мер
для уменьшения влияния крепления. В низкочастотных резонаторах
устанавливают отражатели в виде шайб, укрепленные на определен-
ном расстоянии на проволочных держателях. Их наличие гаранти-
рует значения сопротивления, которые не изменяются после уста-
новки резонатора в корпус. В случаях, когда резонаторы имеют
проволочные держатели без отражателей, должно быть обусловлено
положение мест, крепление в которых обеспечивает минимум влия-
ния на электрические параметры. Это обстоятельство не должно иг-
норироваться как изготовителями, так и потребителями. Установка
резонаторов в корпус может осуществляться пайкой, сваркой или
Рис 16.7. Бескорпусйые резонаторы-
а) изгибных колебаний с разным расположением и формой держателей; б)
крутильных и сдвиговых колебаний с осевым расположением выводов, снаб-
женных отражателями; в) сдвиговых колебаний с односторонним расположе-
нием выводов; г) двухполюсный резонатор толщинно-сдвиговых колебаний;
д) четырехполюсный с двумя связанными резонаторами
приклейкой. Бескорпусные резонаторы крепят к выводам корпуса
или к специальным держателям, установленным в корпусе. Во мно-
гих случаях крепление осуществляется к подложке микросхемы.
Проволочные держатели-отводы могут быть как прямыми, так и изо-
гнутыми соответствующим образом. Потребителю не следует изги-
бать держатели при установке резонаторов в корпус, а надлежит
заказывать резонаторы с изогнутыми держателями; размеры и фор-
ма изгибов должны быть точно оговорены.
Высокочастотные резонаторы, как правило, вместо проволочных
держателей или отводов имеют на краях контактные площадки. Их
установку осуществляют с помощью клея, посредством пайки или ,
терм око мпрессии. Потребитель получает предварительно настроен-
ные резонаторы, частота которых отличается от номинального зна-
чения в пределах (2—5)-10~5. Методы окончательной настройки
частоты должны быть просты и доступны потребителю. *
Типы бескорпусных резонаторов окончательно не определились,
однако некоторые из них могут быть рекомендованы. Так, на самые
низкие частоты используют резонаторы изгибных колебаний. Их
диапазон частот 10—200 кГц. Обычно они имеют два прямых пли
изогнутых держателя (рис. 16.7).
Микрорезонаторы
233
На частоты выше 200 кГц хорошие результаты получены при
использовании резонаторов крутильных колебаний с осевыми выво-
дами и отражателями. Они могут использоваться на частоты до
800 кГц На частоты выше 700 кГц отличные характеристики име-
ют резонаторы сдвиговых колебаний типа АП, имеющие форму стер-
жней или сегментов. Они имеют либо осевое, либо поперечное рас-
положение выводов. Резонаторы АП изготовляются на частоты до
1500 кГц. На частоты 1,5—4 МГц используются сегментные резо-
наторы, возбуждаемые на обертонах. На более высокие частоты
изготовляются резонаторы с колебаниями сдвига по толщине (АТ,
БТ и др.). Форма пластин — прямоугольная или круглая. Для ИКГ
и ИКФ потребители предпочитают использовать многополюсные
резонаторы.
Бескорпусные резонаторы рассчитаны на работу в условиях гер-
метизации корпуса и заполнения его сухим инертным газом или
воздухом при нормальном давлении. В случае разрежения газо-
вой среды внутри корпуса добротность резонаторов на низких час-
тотах существенно возрастает, для некоторых типов более чем в
10—20 раз.
16.6
МИКРОРЕЗОНАТОРЫ
Микрорезонаторы (сверхминиатюрные резонаторы) возникли как осо-
бый тип в связи с развитием микроэлектронной аппаратуры, по-
скольку обычные резонаторы по своим габаритам намного превос-
ходят габариты микросхем и не компонуются с ними. Микрорезо-
наторы особенно интенсивно разрабатывались в связи с использо-
ванием их в электронных наручных часах. Усилиями ученых и спе-
циалистов разных стран были достигнуты поразительные успехи по
уменьшению габаритов микрорезонаторов. Разработанные для элек-
тронных часов микрорезонаторы, объем которых меньше объема
обычных резонаторов почти на два порядка, имеют такие же элек-
трические характеристики, определяющие стабильность частоты, а
нередко и превосходят их.
Для потребителей, использующих резонаторы в микроэлектрон-
ной аппаратуре, микрорезонаторы предпочтительнее бескорпусных
резонаторЪв. Трудности, связанные с производством микрорезонато-
ров, значительны, что ограничивает и задерживает широкое их при-
менение в серийном производстве. Микрорезонаторы выпускаются
преимущественно для электронных часов. В последние годы в каче-
стве стандартной для часов принята частота 32,768 кГц. Несколько
десятков фирм, в том числе и отечественные предприятия, изготов-
ляют микрорезонаторы для часов преимущественно на эту частоту.
В табл. 16.2 приведены основные электрические, конструктивные и
эксплуатационные характеристики таких резонаторов [129J.
В последние годы проводились работы по расширению диапа-
зона частот микрорезонаторов и выяснению возможностей создания
диапазонных микрорезонаторов, определившие типы и срезы ПЭ,
наиболее пригодные для решения этих задач. Малые размеры, на-
дежность и хорошие электрические параметры позволяют широко
использовать микрорезонаторы не только в бытовой аппаратуре, но
и в аппаратуре более ответственного назначения.
234
Микроэлектронные пьезоэлектрические устройства
Таблица 16 2
Параметры микрорезонаторов для электронных наручных часов
на частоту 32, 768 кГц
Шифр изделия, страна, фирма Допуск на отклонение частотах 10* Сопротивле- ние (наиболь- шее) , кОм । Добротность (наименьшая), QX1O~3 Точка нуле- вого ткч, °C ТК а2Х Ю« Старение за первый годх ХЮ» Размеры резонатора, мм
РВ-72, СССР,* «Фонон» + 40 20 30 27 + 5 —4 5 16,1X5 ,6x3,1
РВ-720К, СССР, «Фонон» ±20 -40 60 27±3 —4 3 16,1X5 ,6X3,1
SQM-32, Швейцария, «SSIH-Quartz» ±20 15 100 25±3 —4 5 13,6X3,6X3,0
MTQ-32, США, «Моторола» ±30 50 12,5 28±7 —5 5 1.0 ,2X3 ,3X3,4
4VHCB, Швейцария, «Oscilloquartz» W-2, Япония, ±20 ±15 (А) 30 31 (А) 120 25 ±5 27±3(А) —4 5 16,7X5,2x3,1
«Kjnsekisha» ±20 (В) + 30 (С) 41 (В, С) 150 27±5 (В) 27 ±7 (С) —4,2 3 13,7X4,17X4,1
Р-3, Япония, «Kinsekisha» ±15 31 70 25±5 —4,2 3 03 X 8,0
На частотах до 1000 кГц, как показали проведенные исследо-
вания, наиболее удовлетворительные результаты были получены при
использовании ПЭ, имеющих форму стержней и совершающих ко-
лебания изгиба, кручения и сдвига. При этом изгибные колебания
используются на частотах 10—200 кГц, крутильные — на частотах
200—800 кГц и сдвиговые—на частотах 700—-’1200 кГц. Размеры ПЭ
по длине для изгибных колебаний не превышают 15 мм, а для кру-
тильных и сдвиговых колебаний—10 мм, наибольший поперечный
размер ПЭ — не более 2,5 мм. Такие размеры позволяют исполь-
зовать для диапазонных микрорезонаторов корпусы от часовых ре-
зонаторов (см. рис. 3.13, 3.14) или специальные корпусы.
Как указывалось в гл. 7 и 11, пьезоэлементы крутильных и
сдвиговых колебаний могут иметь осевое расположение проволочных
держателей, что уменьшает поперечные размеры микрорезонаторов.
Использование в диапазоне частот от 200 до 1200 кГц только од-
ного среза (yxl/±45°) для резонаторов ВП и АП существенно об-
легчает задачу создания диапазонных микрорезонаторов, а также
их производство. Изменением размеров ПЭ можно осуществлять
резонаторы с заданными значениями параметров во всем указан-
ном выше диапазоне частот.
Основные электрические параметры микрорезонаторов кру-
тильных и сдвиговых колебаний приведены в табл. 16.3.
Микрорезонаторы на частоты выше 4—5 МГц выпускаются
герметичными в плоских металлических корпусах, подобных корпу-
сам М, но имеющими меньшие размеры (8,5x5,5X2,5 мм). За ру-
Общие сведения
235
Таблица 16.3
Параметры микрорезонаторов
0 . sU СО
Частота, кГц Вид колебаний и срез Размеры ПЭ, мм Сопротив- ление, Ом Индука ность, ° - О р Л о § X О’
262 Крутильные, ВП 6,90X1,55X1,50 700 88 270
262 Крутильные, ВП 6,97X1,00X0,97 1000 106 160
400 Крутильные, ВП 4,70X1,55X1,50 900 67 160
500 Крутильные, ВП 3,50X2,50X2,42 1000 59 200
500 Крутильные, ВП 3,52X1,50X1,50 1700 43 100
1050 Сдвиговые, АП45 4,70X1,70X1,60 360 9,9 200
1050 Сдвиговые, АП45 7,20X1,60X1,50 150 6,5 300
бежом выпускаются вакуумные и герметичные микрорезонаторы в
корпусах примерно таких же размеров, что стеклянные и металли-
ческие (холодносварные) корпусы.
17.
Измерение параметров
кварцевых резонаторов
17.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Ввиду специфичности свойств резонаторов требуются специальные
методы и средства измерения их параметров. Только параллельная
емкость может быть измерена при помощи обычных приборов, ши-
роко применяемых для радиоизмерений.
Измерения в процессе разработки резонаторов при их серий-
ном производстве, а также измерения, связанные с применением
резонаторов, имеют некоторые различия.
При разработке резонаторов предъявляются повышенные тре-
бования к точности измерения параметров, поэтому может исполь-
зоваться большое число разнообразных измерительных приборов и
испытательного оборудования для многостороннего исследования
характеристик резонаторов.
В процессе серийного произодства требования к точности из-
мерения параметров резонаторов обычно (хотя и не всегда) несколько
ниже, чем при их разработке. Число контролируемых парамет-
ров и характеристик должно быть сведено до минимума, гаранти-
236
Измерение параметров кварцевых резонаторов
рующего требуемые качество и надежность резонаторов. На первый
план выступает производительность измерительной аппаратуры, для
повышения которой требуются механизация и автоматизация изме-
рительных операций, удельный вес которых в общей трудоемкости
производства резонаторов весьма велик.
При повышенных требованиях к точности измерений недопусти-
мо игнорировать зависимость параметров резонаторов от уровня
возбуждения (см. гл. 4). Нередко эта зависимость оказывается
столь значительной, что ее необходимо учитывать при измерении
параметров резонаторов в условиях производства.
Особенности измерений параметров резонаторов при их исполь-
зовании связаны с тем, что потребитель обычно не располагает
специальной измерительной аппаратурой и потому заинтересован в
овладении методами измерения параметров резонаторов при помо-
щи приборов, широко применяемых при других радиоизмерениях.
Эквивалентные параметры резонатора могут измеряться в ре-
жиме стационарных (непрерывных) или затухающих колебаний.
17.2
ИЗМЕРЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПАРАМЕТРОВ
И ДОБРОТНОСТИ В РЕЖИМЕ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ
Возбужденный в автогенераторе (или от внешнего генератора) ре-
зонатор отключают от возбуждающей цепи и фиксируют параметры
процесса свободного затухания его колебаний. Амплитуда этого
—ft
процесса U=UQe~ Q , где Uo и U — начальное и текущее значения
амплитуды напряжения; / — время; f — частота колебаний резонато-
ра; Q — добротность резонатора.
Число периодов колебаний п с точностью до одного равно ft.
Тогда из предыдущего выражения добротность Q—лн/ln -д . В
промышленных измерительных приборах типа ИПРД ключевая
схема, управляемая дискриминатором уровня, выделяет часть про-
бно
цесса затухающих колебаний так, что л/ln д~ »₽10. Число п вы-
деленных колебаний, подсчитанное электронным счетчиком, после
умножения на 10 прямо дает величину добротности.
Если последовательно с резонатором включить добавочное со-
противление и измерить добротность полученного двухполюсни-
ка Qi, то можно рассчитать, сопротивление резонатора —
=ад<ж-1).
Зная частоту генерации в режиме стационарных колебаний и
величины добротности и сопротивления, можно рассчитать значе-
ния индуктивности и емкости резонатора по формуле
p = QR1 = 2nf1L1 = (17.1)
где р — волновое сопротивление, a fi — частота резонатора.
Приборы типа ИПРД работают'в диапазоне частот до 10 МГц.
Погрешность измерения добротности составляет ±3%, погрешность
опоеделения остальных параметров ±6%.
Параметры а режиме стационарных колебаний
237
Если отсутствует специальная аппаратура для измерения пара-
метров резонаторов, то их значения могут быть приближенно оце-
нены на основе метода затухающих колебаний при использовании
сигнал-генератора, осциллографа и усилителя (или радиоприемни-
ка) [130]. Резонатор должен быть слабо связан с выходом сигнал-
генератора и входом усилителя. Сигнал с выхода усилителя пода-
ется на вход вертикального отклонения луча осциллографа с линей-
ной разверткой луча по горизонтали. Сигнал-генератор настраивают
на резонанс и после установления колебаний замыкают его выход,
запуская при этом развертку осциллографа. По изображению про-
цесса затухающих колебаний на экране осциллографа можно с по-
мощью вышеприведенных формул оценить значения добротности и
других параметров резонатора.
Измерение параметров резонаторов в режиме затухающих ко-
лебаний не получило широкого распространения в силу ряда при-
сущих ему недостатков. Яри измерениях в диапазоне частот свыше
10 МГц быстро нарастают погрешности. Метод затухания не дает
представления о наличии у резонатора побочных резонансов. Непо-
средственно измеряется только добротность, а для получения зна-
чений остальных параметров требуются дополнительные операции и
расчеты. Метод затухания непригоден при испытаниях в режиме не-
прерывного изменения температуры.
17.3
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРОВ
В РЕЖИМЕ СТАЦИОНАРНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Колебания резонатора в стационарном режиме лежат в основе ре-
зонансных, автогенераторного и комбинированного методов измере-
ний его параметров.
РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ
Иногда данный метод измерения называют, пассивным, поскольку
резонатор возбуждают от внешнего генератора, на частоту которого
сам он не влияет. Генератор должен допускать плавную перестрой-
ку частоты, ее нестабильность за время измерения должна быть на
несколько порядков меньше величины резонансного промежутка ре-
зонатора. Форма выходного напряжения должна быть синусоидаль-
ной, а его уровень при перестройке частоты должен оставаться не-
изменным. Среди резонансных методов различают мостовой, фильг-
ровой и метод куметра.
Мостовой метод. Наивысшая точность обеспечивается
мостовыми методами измерения, позволяющими применить нулевую
индикацию баланса и подробно описанными в [131, 132]. Мостовой
метод позволяет измерять активную и реактивную компоненты со-
противления или проводимости резонатора на различных частотах.
Достоверность полученных результатов легко может быть провере-
на построением диаграмм, которые согласно теории должны иметь
простую геометрическую форму [130], например форму окружности
или прямой линии. Отклонение формы от теоретической указывает
на действие дополнительных факторов, таких, как наличие близких
побочных резонансов, влияние которых может остаться незамечен-
238
Измерение параметров кварцевых резонаторов
ним при использовании иных методов измерения. По результатам
измерения частотных характеристик импеданса могут быть опреде-
лены все характеристические частоты и эквивалентные параметры
резонатора. Недостатком мостовых методов является большое вре-
мя измерения и сложность конструктивного выполнения моста, что
ограничивает сферу их применения лабораторными измерениями.
Фильтровый метод. Среди точных методов измерения
эквивалентных параметров наибольшее распространение получил
фильтровый метод (рис. 17.1). Резонатор входит в состав четырех-
полюсника, на вход которого подается сигнал от внешнего генера-
тора, а сигнал с выхода воздействует на ламповый вольтметр или
другой индикатор.
Рис 17 1 Фильтровая схема для измерения параметров квар-
цевых резонаторов
Измерение характеристических частот. При изменении частоты
генератора наблюдается максимальный отсчет, который с высокой
точностью соответствует частоте fm> если элементы четырехполюсни-
ка R и С (паразитная емкость) имеют достаточно малую величи-
ну. Требования к выбору элементов четырехполюсника и рекомен-
дации к его практическому выполнению, формулы для коррекции и
оценки погрешности при измерениях фильтровым методом исчер-
пывающим образом изложены в [133, 134]. Необходимо отметить,
что точность измерений получается высокой, если выполняется ус-
ловие R'>bR, а значения сопротивлений R не превышают величи-
ны сопротивления резонатора.
Если требуется измерить частоту f\, а не fm> то необходимо
скомпенсировать параллельную емкость резонатора, подключив па-
раллельно ему индуктивность, резонирующую с ней на частоте ре-
зонатора' Согласно [130] может быть получена точность измерения
характеристических частот лучше НО-6 при добротности резона-
торов больше 5-Ю4.
Анализ спектра частот. На основе фильтрового метода может
быть исследована спектральная характеристика резонатора. Для
этой цели пригодно устройство по схеме рис 17.1. Изменяя частоту
генератора в заданных пределах, следят за показаниями индикато-
ра, отмечая уровень этих показаний и частоты, соответствующие
резонансам Таким путем можно определить интенсивность побочных
резонансов и ослабление их относительно основного. При этом сле-
дует учитывать влияние потерь, вносимых резисторами четырехпо-
люсника R. Имеются специальные приборы типа ПМР-24 на диапа-
зон частот от 0,1 до 75 мГц, предназначенные для анализа спект
Параметры в режиме стационарных колебаний
239
ральных характеристик резонаторов В них предусмотрено автомати-
ческое качание частоты в узких пределах, синхронизированное с раз-
верткой электроннолучевого индикатора, а также нейтрализация па-
раллельной емкости резонатора, позволяющая значительно повысить
чувствительность прибора к слабым побочным резонансам. Для ис-
следования спектра побочных резонансов можно использовать и
универсальные измерители амплитудно-частотных характеристик, та-
кие, как XI-27, XI-39 и др.
Измерение емкости и индуктивности. Подключая последова-
тельно с резонатором емкость Сн, можно измерить его эквивалент-
ную емкость С] по методу двух частот. Для этого измеряют час-
тоты /н и fi, соответствующие максимальным показаниям индикато-
ра при включенной и при закороченной Сн и рассчитывают емкость
по формуле
C1 = 2(C0-j-Cll)(fn~f1)/t1. (17.2)
Точность измерения может быть повышена, а параллельная емкость
исключена из расчетов, если использовать две или. более последо-
вательные емкости разных величин. При измерениях по методу трех
частот [134] (с двумя нагрузочными емкостями — СН] и Ся2) рас-
четная формула имеет вид
Ci - 2(СН2 - С,!) , (17.3)
/1 1/Н1 I П2>
где fBi соответствует подключению Снь а [нг — Ся2. Зная Сь мож-
но рассчитать Ц по ф-ле (2 31).
Для измерения сопротивления в схеме рис. 17.1 могут приме-
няться два метода: один — по показаниям выходного индикатора с
использованием предварительно построенных градуировочных кри-
вых; второй — метод замещения резонатора переменным резистором,
сопротивление которого регулируется до получения одинаковых по-
казаний индикатора, а затем измеряется на постоянном токе. Из-за
паразитных реактивностей резистора точность измерения по методу
замещения снижается на частотах свыше 5 МГц.
На более высоких частотах, чем позволяет метод замещения, со-
противление резонатора можно определить на основании измерения
емкости С], например, по методу трех частот и измерения доброт-
ности по форме резонансной кривой. Перестраивая частоту генера-
тора, наблюдают резонансную зависимость-модуля импеданса резо-
натора и по ней определяют добротность. Если проводимость парал-
лельной емкости значительно меньше, чем проводимость последова-
тельной ветви эквивалентной схемы резонатора (что обычно
выполняется в диапазоне частот до 20 мГц), а индикатор линеен,
то добротность резонатора с учетом потерь, вносимых сопротивле-
ниями четырехполюсника R, может быть рассчитана по обычной
формуле
Q' ~ fife А /о,7>
где 2А(0 7 — разность между высшей и низшей частотами, на кото-
рых показания индикатора составляют 0,707 от максимального.
По известным Q' и Сх находят 7?i+27? по ф-ле (17.1), а затем
Ri и Q.
240
Измерение параметров кварцевых резонаторов
Таким образом, фильтровый метод позволяет определить три
из четырех независимых параметров резонатора. Существенно, что
все измерения могут проводиться при разных уровнях возбуждения
резонатора, что позволяет определить зависимость значений экви-
валентных параметров от напряжения на резонаторе.
Универсальность фильтрового метода, а также высокая точ-
ность измерения параметров при сравнительной простоте измери-
тельной процедуры обусловили его широкое распространение как в
лабораториях, так и в производственных условиях.
Рис. 17 2 Схема с фазовым индикатором настройки
в резонанс
Некоторые разновидности фильтрового метода, связанные с
использованием Г-образных четырехполюсников, а также с исполь-
зованием в качестве элементов нагрузки конденсаторов, рассмотре-
ны в [135].
Точность измерения эквивалентных параметров и характеристи-
ческих частот может быть повышена на порядок и более при ис-
пользовании фазовой индикации настройки. С помощью фазочув-
ствительного индикатора (фазометра или векторного вольтметра),
включенного, как показано на рис. 17.2, измеряется сдвиг фазы
между напряжением на резонаторе и током через него. На частоте
/г фазо-частотная характеристика резонатора проходит через нуль
и имеет максимальную крутизну. Чувствительность фазового инди-
катора к изменению частоты значительно выше, чем амплитудного,
что позволяет измерить значение fr с более высокой точностью,
чем fm. Если последовательно с резонатором включен нагрузочный
конденсатор с емкостью Сн, то измеряется частота f'r приведенного
резонатора (см. рис. 2.4). Реализацию фазовой индикации затрудня-
ет недостаточная чувствительность по напряжению широкодиапазон-
ных фазометров.
В качестве стабильного регулируемого источника сигнала при
фильтровом методе измерения удобно применять синтезатор часто-
ты, например, типа 46-31, дополнительно снабженный простейшим
делителем выходного сигнала, например потенциометром.
При отсутствии синтезатора частоты в качестве источника сиг-
нала можно использовать почти любой КГ (рис. 17.3), снабдив его
верньерным приспособлением для перестройки частоты. Один из ис-
пытуемых резонаторов (их должно иметься не менее двух на одина-
ковую частоту') используется для стабилизации частоты КГ. Пере-
стройка конденсатора С должна обеспечивать требуемое перекры-
тие по частоте. Катушка индуктивности L должна понижать часто-
Параметры в режиме стационарных колебаний
241
ту КГ так, чтобы частота последовательного резонанса испытуемых
резонаторов оказывалась в диапазоне перестройки и была вблизи
от его нижней границы. Форма выходного сигнала КГ должна быть
синусоидальной, что особенно существенно при измерении со-
противления по методу замещения, так как в противном случае
могут возникнуть большие ошибки вследствие различия формы сиг-
нала на выходе четырехполюсника (см. рис. 17.1) при включении
Рис. 17 3 Схема управления ча-
стотой кварцевого генератора
КГ
?6ЫХ'
резонатора и замещающего резистора. В качестве индикатора в
схеме рис. 17.1 лучше всего использовать селективный микровольт-
метр (например, Вб-1 или В6-7), особенно если необходимо прово-
дить измерения при малых уровнях возбуждения.
Метод куметра. Среди резонансных методов находит при-
менение также метод куметра при возбуждении его контура от
внешнего стабильного генератора. Резонатор, связанный с контуром,
на частоте fi вносит максимальные потери, а на частоте /г— мини-
мальные, fi может быть измерена обычно с точностью около
±1,5-10~6, а /г—‘±2,5-10~6 [130]. По характеру изменения затуха-
ния при перестройке частоты можно рассчитать значения 7?р и Лр
на нескольких частотах и вычислить величины всех параметров эк-
вивалентной схемы рис. 1.3 [136, 137]. Метод куметра может ис-
пользоваться при лабораторных измерениях, особенно при отсутствии
специальной аппаратуры для измерения параметров резонаторов.
АВТОГЕНЕРАТОРНЫИ МЕТОД
Данный метод иногда называют активным, поскольку при измере-
ниях испытуемый резонатор включается в цепь положительной об-
ратной связи (рис. 17.4), чем достигается стабилизация колебаний
автогенератора на частоте резонатора.
Цепь автоматической регули-
ровки амплитуды (АРА) воздейст-
вует на один из параметров гене-
ратора (например, на режимный
ток лампы и тем самым на ее кру-
тизну) и обеспечивает синусои-
дальную форму сигнала во всех
его цепях. Сдвиг фазы сигнала в
цепи обратной связи (ОС) близок
к нулю, поэтому частота колеба-
ний близка к fr. Цепь ОС может
быть апериодической (обычно в
диапазоне частот до 100 кГц) или
избирательной, содержащей ко-
лебательный контур. Цепь ОС с ко-
лебательным контуром, как пра-
вило, используется в приборах с
диапазоном частот свыше 100 кГц.
Рис. 17.4. Схема технологических
генераторов типа ТГК
242
Измерение параметров кварцевых резонаторов
Настройка контура может производиться до получения максималь-
ных показаний высокочастотного вольтметра ВЧВ, подключенного
ко входу усилителя. В этом случае частота генерации близка к
Такая настройка применяется в приборах типа ТГК — основных тех-
нологических генераторах, выпускаемых отечественной промышленно-
стью. Величина сопротивления определяется в этих приборах путем
измерения напряжения на элементах четырехполюсника, содержа-
щего резонатор. После настройки резонансного контура прибора про-
изводится калибровка шкалы сопротивлений, состоящая в том, что
ВЧВ подключается к выходу усилителя, параметры которого ре-
гулируют до установления определенной величины выходного напря-
жения. После этого вольтметр снова переключают на вход усили-
теля и по входному напряжению, пропорциональному току через
резонатор, судят о величине сопротивления резонатора. Если
6о<0,1, что почти всегда справедливо в области частот до 30 мГц,
то t7Bx и [/вых близки по фазе, fm~fi и /?1~2рМин. Тогда
^bx«[/buX^i + ^). (17.4)
Благодаря калибровке [7Bux=const. Шкала вольтметра, проградуи-
рованная в величинах сопротивления, имеет обратный характер.
Таблица 171
Характеристики приборов типа ТГК для измерения параметров
резонаторов
Тип генератора Воспроизводимость частоты, не хуже Диапазон частот, МГц Диапазон измерения сопротивления, Ом
ТГК-1 + 1-1 о-6 0,0005-0 ,07 100—200 000
ТГК-2 + 2 10“6 0,05—1 10—50 000
тгк-з + 2 10“6 1—30 5—300
ТГК-4 ±2-10~6 30—105 —
Основные технические характеристики приборов типа ТГК при-
ведены в табл 17.1, где воспроизводимость частоты указана для
резонаторов с добротностью не менее 5-Ю4 при повторном включе-
нии резонатора в тот же или другой экземпляр прибора при оди-
наковой температуре.
Если нормировать не [7Вых, а [7Вх и измерять дифференциаль-
ным вольтметром падение напряжения на резонаторе, как это сде-
лано в некоторых разновидностях приборов, то ф-ла (17 4) преоб;
разуется- ГцЫх — = Шкала прибора получается прямой
и линейной. В некоторых приборах настройка по частоте осуществ-
ляется с индикацией по фазометру до получения нулевого сдвига
фаз на зажимах резонатора в схеме рис. 17 4, что соответству-
ет частоте fr. Хотя такие приборы обеспечивают высокую точность
измерения частоты (около ±5-10—7), они не лашли широкого рас-
пространения из-за сложности обращения с ними. Они скорее при-
годны для использования в лабораториях, чем в цехах.
Параметры в режиме стационарных колебаний
243
За рубежом для измерения параметров резонаторов в процессе
их производства и испытаний используются технологические квар-
цевые генераторы нескольких разновидностей. Упрощенная схема
одного из наиболее распространенных среди них — импедансмет-
ра — приведена на рис 17 5. Импедансметр содержит усилительный
каскад с настраиваемыми контурами в цепях анода и сетки и цепь
положительной обратной связи с зажимами для подключения ре-
зонатора или замещающего резистора. При работе на последова-
тельном резонансе конденсатор Св замкнут К схеме подключается
резонатор, и £С-контуры настраиваются до получения максималь-
нее 17 5 Упрощенная схема импеданс-
метра
ного сеточного тока (в высокочастотной модели прибора, работаю-
щего в диапазоне до 140 МГц, настройка осуществляется перемен-
ной индуктивностью) Затем резонатор замещают резистором, и пу-
тем регулировки его сопротивления и подстройки контуров добива-
ются тех же значений сеточного тока и частоты, которые имели
место при подключении резонатора. Полученная величина замеща-
ющего сопротивления с погрешностью около 10% приближается к
R, а при последующем включении резонатора в схему частота гене-
рации близка к ft и не отличается от него больше чем на 5-It)-6 в
диапазоне частот до 15 МГц С повышением частоты погрешности
измерения сопротивления и частоты возрастают, главным образом,
из-за влияния реактивных составляющих замещающего сопротивле-
ния [130] При настройке резонаторов, предназначенных для ис-
пользования в КГ параллельного резонанса, последовательно с резо-
натором включается емкость Св, равная нагрузочной емкости рабо-
чей схемы, что обеспечивает хорошее совпадение частот генерации
в импедансметре и рабочем КГ. Недостатком импедансметров явля-
ется очевидное неудобство измерения методом замещения, особен-
но в условиях серийного производства Кроме того, уровень воз-
буждения резонаторов в импедансметрах сравнительно высок Вве-
дение АРА затруднительно, так как оно привело бы к падению
точности настройки по частоте из-за снижения чувствительности се-
точного тока к расстройке
244
Измерение параметров кварцевых резонаторов
ме
со
что транзисторы этой
идеальные частотные
схеме отсутствуют
реактивности, что
Сравнительно высокий уровень возбуждения резонаторов ха-
рактерен также для всех приборов, в которых величина /?1 изме-
ряется по уровню ВЧ напряжения на элементах четырехполюсника,
содержащего резонатор (см рис. 17.4). От этого недостатка сво-
боден метод измерения сопротивления, поясняемый условной схемой
рис. 17.6, изображенной для пере-
менных составляющих токов и
напряжений Для простоты пред-
положим, ’
схемы имеют
свойства, в
паразитные
транзистор 7\ имеет нулевое вход-
ное сопротивление и единичный
коэффициент передачи тока, а Г 2—
нулевое выходное сопротивление и
единичный коэффициент передачи
напряжения Канал автоматическо-
го регулирования сопротивления
нагрузки АРС обеспечивает умень-
шение сопротивления с ростом ам-
плитуды колебаний U32- Избира-
тельным омметром измеряется те-
кущее значение сопротивления на-
грузки 7?н при помощи вспомога-
тельного измерительного НЧ сиг-
нала Омметр не влияет на процес-
имеет величину 7кр = Ггэ2/£кр На-
Рис. /7 6 Схема измерителя по
тоду преобразования величины
противления резонатора Л) в вели-
чину сопротивления нагрузки кас-
када генератора
сы в КГ, ток через резонатор
пряжение Us2, равное напряжению на коллекторе транзистора Т\,
выразится, формулой (7Э2=Л<р/?н. Из двух приведенных формул по-
лучаем уравнение стационарных колебаний 7?н=^кр, откуда следу-
ет, что КГ, изображенный на рис. 17.6, работает на частоте fr, а
величина сопротивления резонатора, близкая на этой частоте к 7?н,
оказывается преобразованной в величину сопротивления нагрузки
усилительного каскада RB, которая измеряется избирательным ом-
метром. Данный метод подробно рассмотрен в [138] с анализом
погрешностей измерения частоты и сопротивления. Приборы, ос-
нованные на использовании этого метода, работают в диапазоне
частот до 30 МГц. Ими можно измерять сопротивления от 1 Ом
до 200 кОм. Поскольку с увеличением частоты резонаторов наблю-
даются тенденции к уменьшению значений Ri, сопровождающемуся
уменьшением сопротивления нагрузки и улучшением частотных
свойств усилителя, то в одном приборе может быть получено более
чем стократное перекрытие частотного диапазона. Перекрытие диа-
пазона измеряемых сопротивлений может превышать тысячу (разу-
меется, в нескольких поддиапазонах). В отличие от приборов дру-
гих типов, не требуется калибровки перед снятием отсчета сопро-
тивления, что особенно удобно при изучении поведения резо-
натора в интервале температур, когда для записи кривой изменения
сопротивления может использоваться самопишущий регистратор,
подключаемый к выходу избирательного омметра. Шкала омметра
близка к линейной. Характерной особенностью рассматриваемого
метода является независимый характер функционирования мзбира-
Параметры в режиме стационарных колебаний
245
тельного омметра от уровня ВЧ сигнала КГ. Благодаря этому при-
бор может действовать при весьма малых уровнях возбуждения
резонатора, недостижимых при использовании иных методов изме-
рения сопротивления.’Перечисленные свойства рассмотренного при-
бора обусловливают целесообразность его использования при созда-
нии измерительных комплексов, предназначенных для автоматиза-
ции измерения температурных характеристик частоты и сопротив-
ления резонаторов как при их разработке, так и в процессе их
производства, е
КОМБИНИРОВАННЫЙ метод
При измерениях данным методом испытуемый резонатор непосред-
ственно не входит в состав возбуждающего автогенератора, однако-
он стабилизирует частоту последнего через систему автоматической
подстройки частоты. Выходной сигнал подается на пассивную^
цепь, содержащую резонатор. С двух точек цепи снимаются напря-
жения, которые синфазны на частоте fr и различаются по фазе при
отклонениях от этой частоты, причем знак разности фаз соответст-
вует знаку отклонения. Упомянутые напряжения подаются на фазо-
вый дискриминатор, а постоянное напряжение с его выхода исполь-
зуется для автоматической подстройки частоты возбуждающего ге-
нератора.
Рис. 17 7. Схема измерителя па
раметров резонаторов с цепью
фазовой автоподстройки часто-
ты возбуждающего генератора
Комбинированный метод, называемый также полупасснвным, яв-
ляется развитием фильтрового метода в варианте с фазовой инди-
кацией настройки. Пример схемы, позволяющей его реализовать,
приведен на рис. 17.7. Отклонение частоты генерации от частоты
fr в данной схеме может быть сведено к величине не более 1 % от
величины резонансного промежутка резонатора [139]. Поскольку на
частоте fr импеданс резонатора близок к его сопротивлению Ri, то
это сопротивление можно определить по показаниям векторного-
вольтметра:
~ RU вых/(г^вх- U вых)
По рассмотренному методу действуют некоторые отечественные
и зарубежные высокочастотные приборы для измерения параметров*
резонаторов.
246
Измерение параметров кварцевых резонаторов
17.4
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ЕМКОСТИ
Параллельная емкость (Со) измеряется при помощи универсальных
приборов, пригодных для измерения малых емкостей- (от 2 до
50 пФ), — мостов или куметров. Частота, на которой производится
измерение, должна быть достаточно удалена от любой из резонанс-
ных частот резонатора, чтобы колебания ПЭ были пренебрежимо
малы. Следует учитывать, что результат измерения Получается за-
вышенным на сумму эквивалентных емкостей, соответствующих всем
резонансам ПЭ, частоты которых лежат выше частоты измерений.
Например, для резонатора среза АТ завышение составляет около
1%, если частота измерения ниже частоты основного резонанса
[130]. Для резонаторов на частоты несколько десятков мегагерц и
выше действительная величина может значительно отличаться от
измеренной из-за влияния индуктивности выводов, соединяющих ПЭ
со схемой (см. § 2.7).
17.5
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХ- И ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНЫХ
КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ-
Величины емкостей COi, С02 и См эквивалентной схемы рис 2.9 из-
меряются, как указано в § 17.4. Значения остальных ее параметров
(обозначения которых здесь соответствуют таковым в § 2.8) могут
быть найдены путем расчета по результатам измерения параметров
двухполюсных резонаторов, получающихся при пос>чередном зако-
рачивании входной и выходной пар полюсов четырехполюсного
(трехполюсного) резонатора [28]. При этом используются любые
методы и средства (ом. § 17.2 и 17.3), обеспечивающие возможность
измерения частоты последовательного резонанса и сопротивления
резонатора.
Закоротив выход (см. рис. 2.9), измеряют сопротивление резо-
наторов со стороны клемм 1 и 2 на частоте последовательного ре-
зонанса: Z\2~Rw (1+п), а при закороченном входе — эквивалентное
сопротивление со стороны клемм 3 и 4\ Z34~7?11(14-n)/n2, откуда
находят n»[Zi2ffij)/Z34f/1)]1/2 и /?ц^ZI2(fJ/,(n+1) = Z3i(fl)n2/(n+1).
Подключая последовательно со входом резонатора при закорочен-
ных клеммах 3 и 4 конденсатор емкостью Ся и измеряя резонанс-
ные частоты с конденсатором и без него,находят расстройку частоты
(Af/fi) 12, а затем рассчитывают значения емкости Си по формуле
Cn = 2(Af/fi)i2(n4-l) (Coi + Cm + Ch) и значение индуктивности £ц по
формуле £ц= 1/(01Сц.
Можно найти Си, измерив расстройку (Д//Л)з4 при подключении
конденсатора емкостью Сн последовательно со стороны выхода ре-
зонатора при закороченном входе. В этом случае справедлива фор-
мула С11 = [2(Д/7^з4(Со2+См + Сн]((п+1)/п2]. Значения парамет-
ров С12, £12. R12 можно рассчитать по формулам: С12=Сцп; £12=
= £ц/п; ^?i2=^?n/rt.
В случае ^симметричных резонаторов п=1, и вместо двух изме-
рений при коротком замыкании требуется лишь одно.
Нестабильность частоты кварцевых резонаторов
247
17.6
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Измерение температурных характеристик является одной из наибо-
лее трудоемких операций при разработке и производстве резона-
торов. Основным объектом контроля является ТЧХ резонатора.
’ Важное значение имеет также температурная характеристика со-
противления, позволяющая прогнозировать устойчивость работы КГ
в интервале температур.
Измерение температурных характеристик резонаторов следует
проводить примерно при том же уровне возбуждения, при котором
они будут эксплуатироваться, так как уровень возбуждения влияет
на форму этих характеристик.' В настоящее время наиболее рас-
пространена методика измерения температурных характеристик по
значениям параметров в отдельных точках рабочего интервала тем-
ператур. Промышленность выпускает предназначенные для этой1
цели многоместные термокамеры типа ТНР-2 с автоматическим под-
держанием любого устанавливаемого значения температуры в пре-
делах от —60 до +100° (?.
Методика измерения ТЧХ по отдельным тачкам температурного
интервала не обеспечивает достаточной производительности при
массовом производстве. Кроме того, для некоторых применений ре-
зонаторов она вообще оказывается неудовлетворительной, так как
связана с опасностью пропуска искажений ТЧХ между контролиру-
емыми точками, что особенно существенно в отношении резонато-
ров, предназначенных для термокомпенсированных КГ. Поэтому в
последнее время уделяется серьезное внимание разработке установок
для контроля характеристик резонаторов в режиме непрерывного
изменения температуры. Некоторые из имеющихся образцов обес-
печивают возможность записи температурных кривых частоты и
сопротивления, другие—предназначены для порогового контроля и
разбраковки резонаторов по принципу годен — не годен.
17.7
ИЗМЕРЕНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ЧАСТОТЫ
КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ
Наиболее сильно изменяет частоту кварцевых резонаторов темпера-
тура. Измерение температурно-частотных характеристик рассмотре-
но в § 17.6. Под влиянием других дестабилизирующих воздействий
частота изменяется значительно меньше, соответствующие допуски у
современных резонаторов весьма малы (менее ЫО-6). Обеспечить
измерение парциальных изменений частоты самого резонатора под
влиянием каждого из дестабилизирующих факторов в отдельности
зачастую бывает трудно, поскольку погрешность измерения не всег-
да удается свести к достаточно малой величине.
В большинстве случаев для измерения нестабильности частоты
кварцевого резонатора его возбуждают в автогенераторе, не имею-
щем внешних органов настройки по частоте во избежание допол-
нительной погрешности измерения. Суммарная величина невоспроиз-
248
Измерение параметров кварцевых резонаторов
водимости частоты (вследствие погрешности термостатирования ре-
зонатора, изменения температуры схемы, изменения напряжения пи-
тания генератора и повторных подключений резонатора к генерато-
ру) не должна превосходить допустимой погрешности измерения
частоты, которая, в свою очередь, должна быть на порядок меньше
допуска на изменение частоты резонатора под влиянием дестабили-
зирующих факторов.
О вибро- и удароустойчивости резонатора судят по изменению
частоты генератора во время воздействия на резонатор, вибраций
или ударов Испытания проводят по одному из двух способов: либо
резонатор размещают на подвижной части стенда для механиче-
ских испытаний, а генератор — на неподвижной и соединяют их ме-
жду собой возможно более короткими гибкими проводами, либо
выполняют генератор (а если требуется, то и термостат) устойчи-
вым к механическим воздействиям и вместе с резонатором устанав-
ливают его на подвижной части стенда, обеспечивая жесткое креп-
ление резонатора к ней. Преимущество первого способа—отсутствие
механических воздействий на генератор, недостаток — дестабилизи-
рующее влияние соединительных проводов. При втором способе раз-
мещения соединительные провода отсутствуют, однако нестабиль-
ность частоты может оказаться завышенной из-за воздействия де-
стабилизирующих факторов не только на резонатор, но и на гене-
ратор. Чем больше частота и емкость С\ резонатора, тем большее
предпочтение следует отдавать второму способу размещения перед
первым. Обычно первый способ оказывается неприемлемым на час-
тотах свыше 10 МГц Измерение частоты с помощью частотомера
дозволяет получить представление только об усредненных за время
измерения ее отклонениях. Чтобы судить о кратковременной неста-
бильности частоты, о наличии частотной, фазовой и амплитудной
модуляции генерируемого сигнала, необходимо использовать более
тонкие методы анализа [10]. Наиболее полное представление о ха-
рактере генерируемого сигнала позволяет получить анализ его
спектра.
Испытания резонатора на вибро- и ударопрочность, а также на
устойчивость к термоциклам и другим климатическим воздействиям
проводят обычно по следующей методике. До начала испытания ре-
зонатор подключают к измерительному генератору, имеющему точ-
ный термостат, и выдерживают в течение времени, достаточного для
установления температуры и частоты (как правило, не менее часа),
после чего частоту регистрируют Затем резонатор извлекают из
термостата генератора и подвергают воздействию предусмотренного
'фактора. По окончании воздействия резонатор снова помещают в
термостат генератора для измерения частоты. Изменение частоты
вследствие данного воздействия находят как разность значений час-
тот после и до воздействия Особое внимание должно быть уделено
конструированию контактных устройств, обеспечивающих присоеди-
нение резонатора к измерительному генератору. Невоспроизводи-
мость частоты за счет подключения резонатора тем больше, чем
меньше его индуктивность. Соответственно эта невоспроизводимость
•оказывается наибольшей у резонаторов, работающих на основной
частоте, и уменьшается с ростом номера обертона, на котором воз-
буждается резонатор. У резонаторов с одинаковым номером обер-
тона невоспроизводимость растет с повышением частоты.
Нестабильность частоты кварцевых резонаторов
249-
Схему измерительного генератора следует выполнять таким об-
разом, чтобы она имела возможно более низкий импеданс со сторо-
ны входных зажимов с целью уменьшения влияния на частоту ге-
нерации паразитных емкостей между элементами конструкции ре-
зонатора и корпусом термостата В этом отношении схемы с по-
следовательным резонансом предпочтительны трехточечным схемам
генераторов Однако применение всех доступных мер не всегда поз-
воляет получить погрешность измерения значительно меньше реаль-
ного и допустимого изменения частоты резонатора.
Например, если допустимое изменение частоты резонатора при
испытаниях составляет 2-10-7, то неопределенность частоты, вноси-
мая контактным устройством, не должна превышать (2—4)-10~8>.
что при использовании резонаторов, работающих на основной час-
тоте, может оказаться недостижимым. В подобных и более слож-
ных случаях испытания приходится проводить в аппаратуре после
установки в нее резонатора
Временная нестабильность частоты (старение) резонатора мо-
жет измеряться либо в рабочем режиме при работе его в генера-
торе, либо в режиме хранения В обоих случаях резонатор нахо-
дится при температуре, близкой или равной верхней предельной ра-
бочей температуре Измерительный генератор должен быть снабжен
точным термостатом. В начале испытания резонатор подключают к
генератору, выдерживают до установления температуры и регистри-
руют частоту Затем частоту регистрируют через определенные ин-
тервалы времени (например, 100, 500, 1000 ч и т. д.). Если испыта-
ния проводятся «в режиме хранения, то в промежутках между из-
мерениями резонатор помещают в термокамеру.
Очевидным недостатком этой методики испытаний является на-
личие, погрешности измерения за счет подключения резонатора. При
проведении испытаний в рабочем рея^име каждый резонатор дол-
жен подключаться к отдельному измерительному генератору. При
этом обычно используется один многоместный термостат, в котором
располагаются все испытуемые резонаторы Продолжительность ис-
пытаний в рабочем режиме обычно не превышает 10 000 ч, а в
режиме хранения она может доходить до 15 лет.
Одна из основных трудностей проведения измерений при ма-
лых допусках на изменение частоты за длительное время состоит
в обеспечении стабильной температуры измерительного термостата.
Пусть испытанию подвергается группа резонаторов АТ, у которых
температура нулевого ТКЧ близка к температуре 51—66°. Темпе-
ратуру измерительного термостата следует выбрать равной 60°С,
при этом ТКЧ резонаторов будет приблизительно ±2-10-7* 1/°С.
Если допуск на изменение частоты составляет ±2-10-7 за год, а
погрешность измерения не должна превышать ±2-10-8, то макси-
мальная допустимая погрешность термостатирования должна быть
±0,ГС Обеспечение такой точности термостатирования на протя-
жении года является сложной технической задачей, решаемой толь-
ко на основе использования самых стабильных датчиков темпера-
туры, в частности термочувствительных кварцевых резонаторов.
250
Измерение параметров кварцевых резонаторов
17.8
ЭКВИВАЛЕНТЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Эквиваленты кварцевый генераторов, копирующие часть той аппа-
ратуры, для использования в которой предназначен резонатор,
появились на ранних стадиях развития техники кварцевой стаби-
лизации по причине отсутствия специальной измерительной аппара-
туры. .Применение эквивалентов позволяет проконтролировать ча-
стоту колебаний и активность резонатора, которая оценивается
обычно .по величине выходного напряжения генератора либо по
величине постоянной составляющей тока активного элемента гене-
ратора. Эквиваленты генераторов применяются в настоящее время
при настройке и испытаниях резонаторов. Одна из причин продол-
жения их использования состоит в том, что условия работы резо-
натора в эквиваленте считаются наиболее близкими к условиям
его эксплуатации.
Однако .применение эквивалентов влечет за собой серьезные
отрицательные последствия. При использовании эквивалента пара-
метры резонатора как самостоятельного элемента не измеряются,
что препятствует совершенствованию и унификации кварцевых ре-
зонаторов. Частота и активность являются свойствами кварцевого
генератора в целом и сильно зависят от его схемы. При неудачном
проектировании схемы генератора могут неоправданно завышаться
требования к резонаторам.
В качестве средства измерения эквивалент должен обеспечи-
вать возможность получения результата с погрешностью, не'пре-
вышающей малой доли от допуска на измеряемую величину (не
более '10—120%)- Но в случае применения эквивалентов состав-
ляющие Afp и А/т ф-лы (2.27) равны между собой, из-за чего при-
ходится либо предъявлять к схеме генератора более высокие тре-
бования, чем это фактически необходимо для -обеспечения стабиль-
ности его частоты, либо сокращать величину допуска Поэто-
му более рационально использовать в качестве технологических
специальные генераторы, обеспечивающие лучшую воспроизводи-
мость частоты, так, чтобы соблюдалось неравенство AfT^Afp.
Для измерения активности желательно обеспечить у эквива-
лента высокую чувствительность выходного напряжения к измене-
ниям сопротивления резонатора, что противоречит стремлению
иметь слабую зависимость выходного напряжения рабочего генера-
тора от сопротивления резонатора. Понятие активности не универ-
сально, активность зависит от неконтролируемых характеристик
схемы генератора, она существенно нелинейным образом связана
с сопротивлением резонатора. В связи с этим практика измерения
активности с применением эквивалентов не отвечает требованиям
метрологии и зачастую не обеспечивает желаемой точности.
Многообразие испытательных устройств ,и трудность организа-
ции их поверки, связанные с применением эквивалентов, порож-
дают серьезные препятствия на пути введения единства мер в
условиях „производства резонаторов, что снижает производитель-
ность труда, повышает опасность пропуска некондиционных резо-
наторов и отбраковки высококачественных и приводит к другим
неблагоприятным результатам. Кроме того, изготовление и обслу-
живание эквивалентов генераторов являются весьма дорогостоя-
'Селекция и дискриминация частоты
24
щим. По указанным причинам следует по возможности избегать
применения эквивалентов генераторов и стремиться к проведению-
измерений параметров резонаторов с помощью специальных унифи-
цированных средств.
'Следует отметить, что эти средства по своему качеству не
всегда соответствуют современным требованиям, предъявляемым к
кварцевым резонаторам, что является одной из важнейших причин,
продолжающегося использования эквивалентов.
18.
Применение кварцевых резонаторов
18.1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
. Кварцевые резонаторы используют в генераторах, фильтрах и час-
тотных дискриминаторах. Фильтры и дискриминаторы обычно пред-
- ставляют собой пассивные линейные электрические устройства, тео-
рия которых хорошо разработана. Расчетные данные этих уст-
ройств, как правило, совпадают с результатами эксперимента и
л требуют лишь незначительной коррекции.
Менее совершенны методы проектирования КГ Хотя теории и
расчету КГ посвящено большое число работ (10, 135, 140—\142], ре-
зультаты расчетов заметно расходятся с экспериментальными дан-
ными, особенно в отношении нестабильности частоты. Основная
причина такого несоответствия состоит в трудности точного учета
нелинейных явлений, играющих в КГ существенную роль. Часто
на практике КГ рассчитывают упрощенно, в линейном приближе-
_ нии, выясняя в дальнейшем его характеристики путем испытаний
макетов.
В данном разделе основное внимание уделено использованию
резонаторов для стабилизации частоты. Главная задача раздела —
помочь потребителю резонаторов избежать грубых ошибок при
проектировании КГ. Рассматриваются основные факторы, которые
следует учитывать потребителю, прежде чем заказывать резонатор.
Обсуждается вопрос о формулировке требований к резонатору на
основе имеющихся требований к генераторам, предлагается мето-
дика экспериментальной проверки соответствия схемы генератора
требованиям, предъявляемым к резонатору.
18.2
СЕЛЕКЦИЯ И ДИСКРИМИНАЦИЯ ЧАСТОТЫ
Частотная селекция радиосигналов осуществляется электрическими
фильтрами. Благодаря высокой добротности кварцевых резонаторов
КФ имеют значительно большую крутизну частотной характеристи-
ки затухания и большее затухание в полосе задерживания, чем
фильтры, изготовленные на катушках индуктивности и конденсато-
рах. Кварцевые фильтры просты по конструкции, имеют малые га-
252
Применение кварцевых резонаторов
-бариты и (Массу. Высокая стабильность параметров кварцевых ре-
зонаторов обеспечивает стабильность электрических характеристик
КФ Наиболее распространены полосовые КФ, в меньшей степени —
заграждающие, применяются также фильтры нижних и верхних
частот.
Кварцевые фильтры выполняются преимущественно по мосто-
вой схеме [143] — чаще всего по Дифференциально-мостовой На
рис 18.1 приведена схема простого двухрезонаторного дифферен-
те 18 1 Дифференциально мо-
стовой полосовой однозвенный
фильтр
Рис 18 2 Кварцевый частотный дис-
криминатор
циально-мостового полосового однозвенного фильтра Методы рас-
чета КФ и необходимые сведения по выбору резонаторов подробно
изложены в [143, 144]
Дискриминаторы частоты -служат для получения сигнала пос-
тоянного тока о знаке и величине отклонения частоты от значе-
ния, являющегося началом отсчета Кварцевые дискриминаторы ча-
стоты отличаются от дискриминаторов другого f»na более высокой
крутизной характеристики [146] Одна из схем кварцевых дискри-
минаторов приведена на рис 18 2 Кварцевый резонатор и эталон-
ный резистор (7?эт составляют линейный избирательный двухполюс-
ник, преобразующий отклонение частоты в изменение амплитуды,
остальная часть схемы — два встречно включенных амплитудных
детектора. Сопротивление резистора /?эт выбирается равным пол-
ному сопротивлению резонатора на частоте, лежащей посередине
между частотами параллельного и последовательного резонансов
Этой частоте соответствует нулевое напряжение на выходе дис-
криминатора.
18.3
СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ
Нестабильность частоты кварцевых генераторов на несколько по-
рядков меньше, чем LC-генераторов, благодаря высокой стабиль-
ности параметров резонатора и его высокому стабилизирующему
действию Относительные изменения частоты КГ оказываются во
много раз меньше вызвавших их относительных изменений пара-
метров других элементов схемы [146] Основой стабилизирующего
действия резонатора являются его высокая добротность и высокая
крутизна изменения реактивной составляющей его проводимости
(сопротивления) при (изменении частоты.
Частота возбуждения резонатора в автогенераторе
253
Любой КГ содержит активный элемент, служащий источни-
ком энергии для (поддержания незатухающих колебаний В настоя-
щее время в качестве активных элементов КГ используются преи-
мущественно (полупроводниковые приборы — биполярные и полевые
транзисторы и туннельные диоды Полупроводниковый прибор по
сравнению с вакуумной лампой имеет большую надежность, мень-
шие габариты и массу, механически более устойчив, потребляет
значительно меньшую мощность и соответственно выделяет гораз-
до меньше тепла, он готов к работе сразу после подачи питания.
Устойчивость автоколебаний характеризуется коэффициентом
регенерации (запасом по самовозбуждению), который показывает,
во сколько раз нужно увеличить сопротивление резонатора или во
сколько раз нужно уменьшить крутизну транзистора, чтобы поста-
вить генератор на грань срыва колебаний. Если коэффициент ре-
генерации мал, то имеется опасность срыва колебаний при увели-
чении сопротивления резонатора, например, под влиянием старения
или изменения температуры
18.4
ЧАСТОТА ВОЗБУЖДЕНИЯ КВАРЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
В АВТОГЕНЕРАТОРЕ
Кварцевый резонатор благодаря высокому стабилизирующему дей-
ствию определяет частоту генератора более чем на 99,8%, «удер-
живая» ее вблизи своей резонансной частоты Однако и приходя-
щиеся на долю схемы менее чем 0,2% весьма существенны Выра-
жения для расстройки частоты
генерации получаются на осно-
ве анализа обобщенных экви-
валентных схем кварцевых ге-
нераторов
Подключая генератор тока
I, отображающий активный эле-
мент реальной схемы, к зажи-
^^агд(1,Ур)^180°
Рис 18 3 Обобщенная эквивалентная
схема генератора с параллельным ре
зонансом
мам двухполюсника, показан-
ного на схеме рис 2 5, получим
обобщенную эквивалентную
схему генератора с параллель-
ным резонансом (см. § 2.6),
приведенную на рис 18 3 Схе-
ма дополнена проводимостью
gr, представляющей собой сумму вещественных составляющих, пере-
считанных к зажимам резонатора входной и выходной проводимо-
стей активного элемента (например, транзистора), а также проводи-
мостей цепей связи активного элемента с резонатором
Генератор тока 1 возбуждается напряжением Ор, падающим
на резонаторе. Через q>i обозначен сдвиг фазы тока / относитель-
но напряжения йр, увеличенный на 180°. За начало отсчета взят
угол 180°, поскольку источник тока характеризуется отрицательной
внутренней проводимостью В идеальном случае при <pi=0 и gr = 0
резонатор оказывается в режиме холостого хода и возбуждается
точно на частоте антирезонанса fa с учетом Сщ Под нагрузочной
емкостью Chi следует понимать эквивалентную емкость со сторо-
254
Применение кварцевых резонаторов
ны цепи возбуждения [146], которая остается постоянной в узком
рабочем диапазоне частот даже при наличии в возбуждающей це-
пи индуктивностей и колебательных контуров.
Анализ показывает, что при соблюдении условий
© (Со + СН1) » gr tg Ф1 и |>5 ' (18.1)
расстройка с достаточной для практики точностью определяется
выражением
AL = 1 ( Ci , ci gr Ф1 _
Л = 2 | Со + СК1 + (Co+C^J»^
- (Со + СН1) /?х - tgcpjl (18.2)
ч )
Генератор необходимо проектировать так, чтобы второе и
третье слагаемые в фигурных скобках (18.2) были значительно
меньше первого. В противном случае, при чрезмерно большой наг-
рузочной емкости, возрастает нестабильность частоты генератора
из-за увеличения рассеиваемой на резонаторе мощности и измене-
ний добротности резонатора.
Таким образом, расстройку частоты правильно рассчитанного
КГ в первом приближении можно найти по ф-ле (2j23). Парамет-
ры Chi, (fi, gr, как правило, претерпевают сравнительно небольшие
относительные изменения при эксплуатации, а добротность резона-
тора Q может изменяться в несколько раз, например, под влия-
нием температуры или с течением времени. Принимая это во вни-
мание, получаем из (18.2) с учетом ;(2.23) выражение для неста-
бильности частоты df/fi, считая вариации упомянутых параметров
вза им «независимыми:
6/ ~ Af 6СН1
fi fi fi С о + £hi
Г Af gr
L fi (Со + Chi)
1 I
2Q .
6<Pi
COS2 фг
Л/ tg Ф16 gr 1 / 1
Н fi ^(Co+ChJ + 2 (к Q2
+-Ч].
2А/ \ Q2 r Qx J\
(18.3)
Через 6Сн1, 6ф1 и 6gr обозначены абсолютные приращения со-
ответствующих параметров. Отношение характеризует откло-
нение частоты последовательного резонанса от исходного значения,
например, под влиянием температуры или уровня возбуждения.
Последнее слагаемое ф-лы (18.3) отражает нестабильность часто-
ты генерации за счет изменения добротности резонатора от Qi
до Q2.
Обобщенная эквивалентная схема генератора с последователь-
ным резонансом (рис. 18 4) получается при подключении к зажи-
мам двухполюсника, изображенного на рис. 2 4а, генератора ЭДС
Ё, возбуждаемого протекающим через резонатор током /р. На этой
схеме фг — сдвиг фазы ЭДС Ё относительно тока /р, увеличенный
на 180°; гг и хг — активная и реактивная составляющие суммы
входного и выходного сопротивлений возбуждающей цепи; СН2 —
Резонаторы в генераторах с параллельным резонансом
255
емкость реального конденсатора, включенного последовательно с
резонатором. Если Си2 = °о, то в идеальном случае при гг=хг = 0
и <р2 = 0 резонатор оказывается в режиме короткого замыкания и
возбуждается точно на частоте резонанса fr.
Г1ри ограничениях Снг^Со и ’6о<0,15, обычно выполняющихся
в диапазоне частот до 30 МГц (если бо>0,15, следует прибегать
к компенсации или нейтрализации параллельной емкости резона-
тора), расстройка частоты
Л f/fi = 0,5 ГСХ/(СО 4- Сн2) -}- <ох Сх (гг tg ф2 — хг) + ~z~ (60 + tg Фг)] •
L (18.4)
В отличие от (18 2), формула (18.4) остается справедливой при
Сколь угодно больших значениях Сн, т. е. и в случаях, когда пер-
вое слагаемое в квадратных скобках соизмеримо с остальными,
^--argttjphieo'
Рис. 18 4 Обобщенная эквивалент-
иая схема генератора с последова-
тельным резонансом
**
Содержащими нестабильные параметры и влияющими в основном
ца нестабильность частоты. Если же расстройка должна содержать
стабильную составляющую (например, при подстройке на номи-
нальную частоту), существенно превосходящую допустимую неста-
бильность частоты, то эта расстройка должна определяться первым
слагаемым. Тогда для схемы рис. 18.4 справедливо (2.12). Неста-
бильность частоты в случае малых относительных изменений пара-
метров Сн2, фг, Гг, хг и значительных изменений Q найдем из (18.4)
с учетом (2.12):
^f 6fi 6СП2 , 1 Л г , 1 у<р2 ,
7г ~ fi Л С04-СН2 2 \ 1 1 Гг Q / cos2 ф2
1
+ “У 1 Ci (6 гг tg ф2 — 6 хг) +
1 / i 1 \Г Со / 1 1 \1
Н- — ( ---— — ) tg ф2 -4-------( — — ) .
2 у2 Qx Л сх УЛ Q1/J
(18.5)
Обозначения в (18 5) подобны таковым в (18.3).
18.5
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ГЕНЕРАТОРАХ
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСОМ
Схемы кварцевых генераторов с параллельным резонансом показа-
ны на рис. 18 5. Емкостная трехточечная схема (рис. 18 5а, б, в)
наиболее распространена ввиду ее простоты, сравнительно малого
256
Применение кварцевых резонаторов
уровня возбуждения резонатора и высокой стабильности частоты.
Она широко применяется в диапазоне частот приблизительно от
1 до 25 М|Гц Нагрузочная емкость в схемах рис 18 5а, б рассчи-
тывается как емкость последовательно соединенных конденсато-
Рис 18 5 Схемы генераторов с паралпетьным резонансом
ров С2 и Сз, причем к емкости конденсатора Сз надо прибавить
емкость эмиттерного перехода, к емкости конденсатора С2 — вы-
ходную емкость транзистора и результат расчета увеличить на зна-
чение емкости коллекторного перехода
Отношение емкостей С2/Сз влияет на уровень возбуждения ре-
зонатора, на режимную стабильность частоты и коэффициент реге-
нерации В [24] рекомендуется брать эти емкости примерно одина-
ковыми, в [10] предлагается их отношение равным 0,2—0,3 а в
[142] применительно к высокостабильным КГ — 5—10
Чтобы избежать большого разнообразия типов резонаторов и
КГ, незначительно отличающихся друг от друга, и тем самым уве-
личить возможность взаимозаменяемости, а также способствовать
унификации радиоизмерений в производстве резонаторов, значение
нагрузочной емкости следует брать близким к одной из величин
стедующего ряда 20, 30, 45, 70, 100, 150, 200, 300, 450, 700,
1000 пФ, используя тем меньшее значение, чем выше частота ге-
нератора
Резонаторы в генераторах с параллельным резонансом
257
При настройке и испытаниях в процессе изготовления резона-
тор следует соединять с нагрузочной емкостью, значение которой
выбрано из приведенного ряда К этому значению будет близка
усредненная величина нагрузочных емкостей различных экземпля-
ров рабочих КГ У того или иного экземпляра рабочего КГ реаль-
ная величина нагрузочной емкости может значительно отличаться
от рекомендованной, так как именно за счет ее изменения рабочий
КГ настраивают на номинальную частоту, устраняя отклонения,
вызванные допустимой неточностью настройки резонатора, старе-
нием частоты и т п
Активность кварцевого резонатора в генераторе с параллель-
ным резонансом количественно удобно выражать через величину
эквивалентного параллельного сопротивления 1/?гэ, определяемого
(2 25) Чем больше /?2э, тем выше коэффициент регенерации при
прочих равных условиях Резонатор, имеющий несколько резонан-
сов, возбуждается на том из них, для которого величина )?2э ока-
зывается наибольшей
Иногда в емкостной трехточечной схеме вместо возбуждения
на основном резонансе резонатор возбуждается на побочном низ-
кочастотном При испытаниях генератора в широком диапазоне
температур вследствие температурной зависимости сопротивления
резонатора могут иметь место перескоки частоты с основного ре-
зонанса на побочный или одновременное возбуждение резонатора
на обоих резонансах Данное явление вызывается ростом реактив-
ного сопротивления конденсаторов и связанным с этим возраста-
нием коэффициента обратной связи по мере понижения частоты
или, в иной трактовке той же причины, обратно пропорциональной
зависимостью величины эквивалентного параллельного сопротивле-
ния от квадрата частоты, очевидной из (2 25)
Чтобы устранить возможность возбуждения побочных низкочп?-
стотных колебаний, следует испотьзовать такие резонаторы, у ко-
торых соответствующие резонансы достаточно сильно ослаблены.
Той же цели можно достичь за счет схемного решения, используя
вместо 7?н катушку индуктивности, как показано на рис 18 5в,
имеющую с конденсатором С2 резонанс менаду частотами побочно-
го и основного резонансов резонатора Следует иметь в виду, что
в этом случае эквивалентная нагрузочная емкость CHi является
функцией настройки колебательного контура Приближение резо-
нансной частоты контура к рабочей частоте КГ снижает стабиль-
ность последней Для. обеспечения высокой стабильности частоты
контур необходимо настраивать на частоту значительно ниже ра-
бочей Такое же схемное решение может использоваться в тех
случаях, когда резонатор должен возбуждаться на обертоне Име-
ется возможность возбуждения резонатора на обертонах и без;
применения катушек индуктивности [147] за счет шунтирования
конденсаторов С2 и С3 достаточно низкоомными резисторами Та-
кой же прием может оказаться полезным и при борьбе с возбуж-
дением побочных низкочастотных резонансов
Показанная на рис 18 5г индуктивная трехточечная схема ис-
пользуется на практике редко, так как, не обладая преимущества-
ми перед емкостной трехточечной схемой, уступает ей в стабиль-
ности частоты, что объясняется подключением резонатора парал-
лельно сравнительно низкоомному эмиттерному переходу и худшей.
258
Применение кварцевых резонаторов
фильтрацией высших гармоник тока активного элемента Кроме
того, в этой схеме катушка индуктивности является обязательным
элементом
Мощность, рассеиваемую на резонаторе, можно найти по сле-
дующей формуле, полученной с учетов выражений (2 4) и (2 24).
Pp = t/2Gp= + (18 6)
где Up — напряжение на резонаторе. В схемах рис 18 5а, бив
модуль напряжения на резонаторе примерно равен сумме модулей
напряжений на коллекторе и базе при условии, что форма напря-
жений близка к синусоидальной.
У генераторов с параллельным резонансом уменьшение сопро-
тивления резонатора ведет к увеличению активности и уменьше-
нию рассеиваемой на резонаторе мощности, что следует из (2 25)
и (18.6).
Генератор с параллельным резонансом, в принципе, может ра-
ботать только в том диапазоне частот, в котором реактивная со-
ставляющая проводимости (и сопротивления) резонатора имеет
индуктивный характер, т. е. в диапазоне частот от fr до fa. По
мере увеличения нагрузочной емкости частота генерации смещает-
ся в направлении от fa к fr. Внутри этого диапазона условия ста-
билизации частоты будут далеко не равноценными. Поэтому воп-
рос о выборе значения нагрузочной емкости является одним из ос-'
новных, решаемых в процессе проектирования КГ.
Увеличение нагрузочной емкости, как видно из (18 3) и (2 23),
способствует уменьшению нестабильности частоты, вызываемой ва-
риациями нагрузочной емкости, связанными с температурной неста-
бильностью формирующих ее конденсаторов, с подключением внеш-
ней нагрузки к КГ, с нестабильностью собственных емкостей ак-
тивного элемента, зависящих от температуры, режима, формы им-
пульса и т. п. Однако с увеличением нагрузочной емкости растет
рассеиваемая на резонаторе мощность [см. (18.6)], что ведет к
увеличению нестабильности частоты последовательного резонанса.
При увеличении нагрузочной емкости растет также нестабильность
частоты вследствие изменения добротности резонатора, что следует
из (18.3). Кроме того, увеличение нагрузочной емкости требует по-
вышения крутизны активного элемента, а это связано с увеличе-
нием потребляемого тока.
Таким образом, как при слишком малом, так и при чрезмерно
большом значении нагрузочной емкости нестабильность частоты
генератора возрастает. На практике» следует выбирать нагрузоч-
ную емкость так, чтобы частота генерации не выходила примерно
за одну четверть резонансного промежутка от fi до fz, соблюдая
также неравенства (18.1), чему соответствуют соотношения
1/(5(£>i/?i) — Со>СН1>ЗСо, (18.7)
которые обычно можно выполнить на частотах до 30 МГц. Нера-
венства (18.7) могут служить для оценки пригодности резонатора,
а также на начальных стадиях проектирования КГ. В выражение
(18.7) нужно подставлять максимальную допустимую величину со-
противления резонаторов, которые предполагается использовать.
Резонаторы в генераторах с последовательным резонансом 259
18.6
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ГЕНЕРАТОРАХ
С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСОМ
Условность разделения КГ на генераторы с параллельным и после-
довательным резонансами может быть показана на примере схемы
рис. 18.6а. Если отнести катушку индуктивности к резонатору и
перейти к приведенному резонатору с использованием (2.17) — (2.22),
то КГ следует считать генераторном с параллельным резонансом.
Если же катушку, настроенную в резонанс с нагрузочной ем;йо-
260
Применение кварцевых резонаторов
стью на частоту резонатора, отнести* к схеме, то КГ можно рас-
сматривать как генератор с (Последовательным резонансом, посколь-
ку 'резонатор используется как элемент, имеющий на резонансе
низкий импеданс с малой реактивной составляющей. На этом ос-
новании схема_ рис. 18.6а помещена среди схем КГ с последова-
тельным резонансом. Эта схема может использоваться в диапазоне
частот приблизительно до 100 МГц для возбуждения резонаторов
как на основной частоте, так и на обертонах. Резистор, шунтирую-
щий резонатор, препятствует самовозбуждению генератора на не-
желательных частотах, для которых его сопротивление значительно
меньше, чем </?2э На рабочей частоте, определяемой резонансом
индуктивности с нагрузочной емкостью, влияние резистора несуще-
ственно ввиду низкого импеданса резонатора. Эта же схема может
использоваться для подавления побочных низкочастотных резонан-
сов кварцевого резонатора
На рис. 18 66 приведена схема двухкаскадного КГ, широко
использующаяся в диапазоне частот от самых низких и приблизи-
тельно до 500 нГц. В схеме нетрудно обеспечить возбуждение ре-
зонаторов с большими сопротивлениями /?i. С понижением частоты
резонаторов их активные сопротивления растут, поэтому сопротив-
ления резисторов схемы также следует увеличивать. Иногда бы-
вает полезно в коллекторной нагрузке второго каскада заменить
резистор колебательным контуром, например с целью подавления
возбуждения побочных резонансов. В варианте с колебательным
контуром схема используется обычно в диапазоне частот от 0,1
до 1 МГц
Более высокочастотная схема Батлера, показанная на рис.
18.6в,—двухкаскадный генератор, в котором один транзистор
включен по схеме с общей базой, а другой — с общим коллекто-
ром. Резонатор нагружен на низкий импеданс, равный сумме вход-
ного импеданса каскада по схеме с общей базой и выходного им-
педанса эмиттерного повторителя В диапазоне частот от 100 кГц
примерно до 10 МГц в качестве нагрузки каскада с общей базой
вместо колебательного контура может применяться резистор. С ко-
лебательным контуром, настроенным на требуемый обертон резо-
натора, схема может использоваться в диапазоне частот примерно
до 100 М)Гц. Начиная приблизительно с 20—30 МГц, параллель-
ную емкость резонатора следует компенсировать индуктивностью -
катушки, подключаемой параллелыно резонатору и имеющей с ем-
костью Со резонанс на рабочей частоте. Данная схема получила
довольно широкое распространение, в ней без затруднения -возбуж-
даются сравнительно высокоомные резонаторы при высоких зна-
чениях коэффициента регенерации. Схемы рис. 18.66, в не рекомен-
дуется использовать в тех случаях, когда стремятся - получить
очень высокую стабильность частоты.
Если требуется перестраивать КГ по частоте, то это следует
делать за счет реактивного элемента, подключаемого последова-
тельно с резонатором. Не следует перестраивать частоту КГ путем
изменения настройки коллекторного контура, так как такой прием
связан с введением большого сдвига фазы (р2, следовательно, как
видно из (18.5), и с увеличением нестабильности частоты за счет
изменения добротности резонатора, а также режимной нестабиль-
ности за. счет вариаций параметра гг.
Соответствие параметров резонатора схеме генератора
261
Схема рис. 18 6г является одной из наиболее высокочастотных.
Она позволяет возбуждать резонаторы на обертонах высокого по-
рядка в диапазоне частот вплоть до 300 М|Гц. Параллельная ем-
кость резонатора компенсируется катушкой индуктивности, подклю-
чаемой параллельно резонатору.
Схема с нейтрализацией емкости резонатора Со на основе ис-
пользования индуктивно-емкостного моста [22] (рис. 18 6с?) также
предназначена для возбуждения резонаторов на обертонах высоко-
го порядка. Ее преимуществом по сравнению с компенсационными
схемами является возможность перехода с одного обертона резо-
натора на другой в широком диапазоне частот путем-перестройки
только контурного конденсатора при неизменной емкости нейггро-
динного конденсатора
На рис. 18 бе изображена схема-на туннельном диоде с согла-
сующим мостом [140]. Достоинства КГ на туннельных диодах со-
стоят в малом уровне возбуждения резонатора, в слабой зависимо-
сти параметров туннельного диода от температуры и частоты и его
высокой радиационной стойкости. Частота генерации может дости-
гать нескольких сотен мегагерц Недостатком КГ на туннельном
диоде является низкая выходная мощность
Мощность, рассеиваемую на резонаторе, можно найти либо по
ф-ле (18.6), либо, если представляется возможность измерить ток
/р через резонатор, по формуле
Рр = /*/?„ = 12„Р,(1 + С^С„)!. (18.8)
У генераторов с последовательным резонансом уменьшение сопро-
тивления резонатора ведет к повышению активности и, как пра-
вило, к увеличению рассеиваемой на резонаторе мощности вслед-
ствие увеличения тока через резонатор.
18.7
СООТВЕТСТВИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРА
СХЕМЕ ГЕНЕРАТОРА
Кварцевые генераторы в зависимости от назначения могут сильно
различаться по стабильности частоты: от КГ с нестабильностью
порядка 10-4 и более, в которых резонатор иногда применяется
вместо обычного LC-контура в основном ради сокращения габа-
ритов, до прецизионных генераторов с суточной нестабильностью
до 10“и, в которых стабилизирующие свойства кварца использу-
ются почти на пределе. Очевидно, что высокостабильный КГ мо-
жет быть построен лишь на основе высокостабильного и высоко-
добротного резонатора. При разработке генераторов умеренной
стабильности следует избегать использования резонаторов более
высокого качества, чем это необходимо для получения требуемых
от КГ параметров. Чем выше качество резонатора, тем сложнее
он в производстве и дороже. Кроме того, в одной и той же гене-
раторной схеме более добротный резонатор мюжет вести себя н£
лучше или даже хуже, чем менее добротный, если режим работы
оказывается для первого менее благоприятным, чем для второго.
Чем добротнее резонатор, тем, как правило, критичнее его пара-
262
Применение кварцевых резонаторов
метры к уровню возбуждения. Нередко у высокодобротных резо-
наторов сильнее выражены побочные резонансы, причем их влия-
ние растет с повышением уровня возбуждения Чем лучше резо-
натор, тем более тщательного проектирования и исполнения тре-
бует схема для реализации его качеств и получения высокой ста-
бильности частоты
Для создания высокостабильных КГ (суточная нестабиль-
ность— менее 1-10—8) используются прецизионные кварцевые ре-
зонаторы преимущественно на частоты 1; 2,5; 5 или 10 МГц с доб-
ротностью порядка 106 и выше. Генератор обычно строится по
емкостной трехточечной схеме с биполярным, реже с полевым
транзистором Иногда применяется схема с туннельным диодом.
Высокостабильные КГ термостатируются, точность поддержания
температуры резонатора '0,01—0,001°С Температура должна соот-
ветствовать экстремуму кривой ТЧХ. В кварцевых генераторах
должны применяться стабильные компоненты, параметры которых
слабо зависят от времени, климатических и механических воздей-
ствий. Должен быть обеспечен облегченный режим работы для
всех элементов схемы Рассеиваемая на резонаторе мощность не
должна превышать 10 mkBtJH]
Если к КГ предъявляются умеренные требования по стабиль-
ности частоты (например, допустима нестабильность порядка 10~в
или больше), то обычно достаточно, чтобы резонатор имел доброт-
ность в несколько десятков тысяч, а <вид схемы КГ не имеет осо-
бого значения, важно лишь избежать грубых ошибок в ее расчете.
У резонаторов, работающих на основной частоте, в среднем по
мере повышения частоты наблюдается уменьшение эквивалентного
сопротивления. Так, у резонаторов на частоты в несколько кило-
герц сопротивления могут превышать 100 кОм, а у резонаторов на
частоты 20—30 М|Гц — составлять несколько ом при одинаковой
добротности. Это обстоятельство и должно определять выбор схе-
мы, режима активных элементов и т. д Очевидно, что чем выше
частота КГ, тем более высокочастотный активный элемент необ-
ходимо использовать для обеспечения достаточно высокого значе-
ния коэффициента регенерации Кроме того, с улучшением частот-
ных свойств активного элемента уменьшаются фазовый угол ф и
его вариации, а также нестабильная составляющая нагрузочной
емкости 6СЯ, что, как ^идно из (18.3) и (18 5), способствует
уменьшению нестабильности частоты. По мере повышения частоты
транзисторных КГ приходится увеличивать режимные токи тран-
зисторов, значения которых лежат в пределах от нескольких мик-
роампер у генераторов на транзисторах МДП структуры для наруч-
ных электронных часов до нескольких миллиампер у генераторов
на частоту десятки мегагерц и выше.
Схему КГ необходимо проектировать так, чтобы она обеспечи-
вала коэффициент регенерации не менее 1,5—2 при максимальном
значении сопротивления резонатора и была некритичной к умень-
шению сопротивления, поскольку оно может значительно изме-
няться от образца к образцу. Сопротивление может также изме-
няться от температуры так, что отношение максимального значения
к минимальному достигает 3—5, а иногда превышает 10 Оговари-
вать минимальное допустимое значение сопротивления нецелесооб-
Особенности КР для генераторов, управляемых по частоте 263
разно, поскольку это препятствует повышению качества резонато-
ров и излишне затрудняет производство.
В отношении устойчивости к механическим и климатическим
воздействиям к резонатору, как правило, предъявляются более вы-
сокие требования, чем к КТ. Однако возможны отступления. На-
пример, если корпус генератора герметизирован и заполнен осу-
шенным газом, то нет причины требовать устойчивости резонатора
к воздействию повышенной влажности, росы и т п. Если резона-
тор амортизирован, то по механической устойчивости к нему мо-
гут предъявляться менее жесткие требования, чем к КГ в целом.
18.8
ОСОБЕННОСТИ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ,
ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРОВ,
УПРАВЛЯЕМЫХ ПО ЧАСТОТЕ
Управляемость по частоте и стабильность частоты КГ являются в
известной мере противоречивыми требованиями. Из (18.3), ,(2-23),
(18.5) и (2.L2) следует, что чем меньше значение емкости С\ и вы-
ше добротность резонатора, тем меньше изменение частоты гене-
ратора при колебаниях нагрузочной емкости и фазового угла, вы-
зываемых вариациями напряжения питания, подключением нагруз-
ки и другими внешними влияниями. По этим причинам «гармони-
ковые» резонаторы обладают более высоким стабилизирующим
действием (наряду с более высокой стабильностью собственных
параметров) по сравнению с резонаторами, работающими на ос-
новной частоте.
Однако малое значение емкости С\ делает «гармониковые» ре-
зонаторы малопригодными для применения в генераторах, управ-
ляемых по частоте: частотномодулируемых, частотноманипулируе-
мых и термокомпенсированных. Генератор перестраивают по час-
тоте путем изменения _ нагрузочной емкости. Как видно из иден-
тичных формул (2.12)' и ,(2 23), изменение нагрузочной емкости
от С'н до С"н ведет к изменению частоты:
(Г-ГИ1=О.5С1(С;-СЭ/[(С,+ С;)(С,+ СЭ) • (18.9)
Поскольку пределы перестройки частоты пропорциональны значе-
нию емкости С\, в управляемых КГ применяются практически толь-
ко резонаторы, работающие на основной частоте, реже — на треть-
ем обертоне.
Расширение пределов перестройки частоты КГ может быть
достигнуто, как это следует из (2 20), включением последователь-
ного с резонатором катушки индуктивности. Сама перестройка мо-
жет производиться путем изменения величины этой индуктивности.
Включением катушки индуктивности параллельно резонатору мож-
но с резонатором катушки индуктивности. Сама перестройка мо-
скомпенсировать емкость Со и в известной степени повысить ак-
тивность резонатора. Не следует игнорировать то обстоятельство,
что катушки индуктивности являются менее добротными, менее
стабильными и более дорогими элементами, чем конденсаторы, по-
264
Применение кварцевых резонаторов
этому применять их в схемах <КТ следует, лишь когда к этвму
имеются серьезные основания.
Ряд дополнительных требований предъявляется к резонато-
рам, предназначенным для термакомпенсираванных КГ. Прежде
всего, это требования к форме кривой ТЧХ. Следует оговаривать
допустимое наибольшее изменение частоты резонатора в заданном
диапазоне температур, число экстремумов и перегибов кривой ТЧХ.
Накладывать более жесткие ограничения на форму кривой ТЧХ
нецелесообразно, так как при этом затрудняется производство ре-
зонаторов, а ощутимых преимуществ для осуществления термо-
компенсации не достигается.
В термоксмпенсиреванном КГ резонатор работает при темпе-
ратуре окружающей среды, и если она меняется в широких преде-
лах, то необходимо соответствующим образам ограничивать до-
пустимую нестабильность частоты резонатора при воздействии цик-
лического изменения температуры.
Теплотая инерция резонаторов, предназначенных для термо-
компенсированных генераторов, должна быть по возможности не-
большой, поскольку при быстрых изменениях окружающей .темпе-
ратуры компенсация может нарушаться Наилучшим в этом отно-
шении являются резонаторы в металлических корпусах, заполнен-
ных гелием.
18.9
ПРОВЕРКА СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА НА СООТВЕТСТВИЕ
ТРЕБОВАНИЯМ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫМ К РЕЗОНАТОРУ
После /выполнения расчетов схемы КГ необходимо провести его
экспериментальную проверку и доработку. Кварцевый генератор
надежно самовозбуждается при достаточно высоком коэффициен-
те регенерации. С целькГ экспериментального определения его зна-
чения устанавливают минимально допустимое напряжение питания
КГ, а затем искусственно понижают добротность колебательной
системы, приводя К'Г на грань срыва колебаний. У генераторов с
последовательным и параллельным резонансами это делается по-
разному. У кварцевых генераторов с последовательным резонансом
следует последовательно с резонатором поочередно включать ре-
зисторы с увеличивающимися сопротивлениями до тех пар, пока
не наступит срыв колебаний. Затем сопротивление уменьшают ша-
гами в 10—20% до возникновения колебаний. Сумма дополнитель-
ного и эквивалентного сопротивлений приблизительно соответствует
единичному коэффициенту регенерации. Если последовательно с
резонатором включен подстроечный элемент, то образованный двух-
полюсник следует рассматривать в -качестве приведенного резона-
тора и, пользуясь '(2 44), ,(2.19) и (2j2i2), складывать величину до-
бавочного сопротивления с эквивалентным последовательным со-
противлением. Отношение полученной суммы к эквивалентному по-
следовательному (при отсутствии подстроечного элемента — к Ri)
сопротивлению дает значение коэффициента регенерации
У генераторов с параллельным резонансом резисторы необхо-
димо подключать параллельно резонатору через разделительный
Проверка схемы генератора
265
конденсатор. Если последовательно с резонатором включен под-
строечный элемент, то резистор следует подключать параллельно
двухполюснику, образованному резонатором и подстроечным эле-
ментом. Включая поочередно шунтирующие резисторы с уменьша-
ющимися значениями сопротивлений, добиваются срыва колебаний
КГ Затем сопротивление увеличивают шагами в 10—20% до воз-
никновения колебаний. Рассчитывают значение результирующего
сопротивления, образованного параллельным соединением шунти-
рующего сопротивления и сопротивления /?2Э, определяемого по
(2.25). Из найденного значения результирующего сопротивления с
использованием (2.25) можно определить значение сопротивления
7?1, соответствующего границе срыва колебаний. Коэффициент ре-
генерации находят как частное от деления величины эквивалент*
ного параллельного сопротивления /?2Э на значение результирую-
щего сопротивления, приблизительно соответствующего единичному
коэффициенту регенерации. Если последовательно с резонатором
включен подстроечный элемент, то в i(2.25) необходимо подстав-
лять вместо Ri величину 7?1Э, вычисляемую по соотношению (2 14),
(2.19) или |(2J22) с учетом емкости или индуктивности подстроеч-
ного элемента.
Для оценки минимального значения коэффициента регенерации
у КГ любого типа в расчет следует принимать максимально допу-
стимое значение сопротивления Ri, для оценки максимального зна-
чения — минимальные величины Ri, встречающиеся у резонаторов
используемого типа. Минимально допустимое значение коэффициен-
та регенерации следует брать не менее il,5—2. Если требуется по-
высить значение коэффициента регенерации, то уменьшают нагру-
зочную емкость или увеличивают крутизну активного элемента.
В то же время следует учитывать, что слишком высокое значение
коэффициента регенерации способствует повышению влияния по-
бочных резонансов резонатора и режимной нестабильности часто-
ты генератора, а также нестабильности, обусловленной влиянием
гармоник генерируемого сигнала. Кроме того, у высокочастотных
КГ при избыточном коэффициенте регенерации появляется склон-
ность к паразитному самовозбуждению. При включении вместо ре-
зонатора конденсатора с емкостью, несколько превышающей па-
раллельную емкость резонатора, самовозбуждение должно отсут-
ствовать.
С помощью дополнительно подключаемых резисторов можно
найти значение сопротивления Ri резонатора, соответствующего
минимально допустимому значению выходного напряжения гене-
ратора, а также значения Ria для генераторов с последовательным
резонансом или значения /?2Э для генераторов с параллельным ре-
зонансом. Обычно с уменьшением сопротивления Ri резонатора
после возникновения колебаний выходное напряжение генератора
растет вначале быстро, а затем медленно. Однако бывают случаи,
когда при уменьшении сопротивления резонатора ниже определен-
ного значения выходное напряжение КГ может уменьшаться.
Экспериментальное определение коэффициента регенерации и
зависимости выходного напряжения от сопротивления резонатора
следует провести на нескольких образцах КГ, чтобы убедиться, что
они приблизительно одинаковы.. Если указанные характеристики
различаются значительно, то схема КГ нуждается в доработке.
266
Применение кварцевых резонаторов
Необходимо провести экспериментальную оценку мощности,
рассеиваемой на резонаторе Для этого у генератора с параллель-
ным резонансом следует измерить падение напряжения на резона
торе и рассчитать мощность по (186) В КГ с последоватетьным
резонансом мощность обычно тоже рассчитывают через напряже-
ние Если последоватетьно с резонатором включен конденсатор и
дтя полученного двухполюсника сдвиг фазы между напряжением
и таком близок к нутю, то мощность Рр ~ £/2дП/Л1э, где ияа —
падение напряжения на двухполюснике, a определяется по
(2 14) Когда конденсатор отсутствует, что эквиватентню бесконеч
ной величине его емкости, UAa = Up, a Riz=Ri Если представляется
возможным измерить ток через резонатор, то мощность можно оце
нить по (18 8) Мощность не должна превышать установленного
требованиями значения и в различных образцах однотипных КГ
дотжна быть примерно одинаковой
После того как результаты измерения мощности оказались
удовлетворительными можно перейти к измерению режимной не
стабильности КГ Устанавливают номиналыное напряжение пита
ния Измеряют частоту и выходное напряжение КГ Затем те же
измерения выполняют при минимальном и максимальном допусти
мых напряжениях питания, после чего проводят контрольные из
мерения при номинальном напряжении с целью проверки воспро-
изводимости результатов Чтобы температура резонатора не изме
нялась значительно за время измерений, можно например, надеть
на резонатор чехол из пенопласта, а измерения провести за корот
кое время Еще лучше термостатировать резонатор Типичным ре
зультатом для КГ на частоту 10 МГц по емкостной трехточечной
схеме с биполярным транзистором является изменение частоты на
±1 10-6 при изменении напряжения питания на ±10% Измере-
ние режимной нестабильности следует провести на нескольких об-
разцах КГ с резонатором, имеющим добротность, близкую к ми-
нимально допустимой, а затем повторить с резонатором, .имеющим
значительно более высокую добротность
. Необходимо также определить реакцию КГ на изменение наг
рузки Обычно нагрузка имеет (активную и емкостную составляю
щие Изменяя в допустимых пределах сопротивление и емкость
нагрузки, измеряют частоту и выходное напряжение КГ Темпе-
ратура резонатора во время выполнения измерений должна под-
держиваться постоянной Испытания проводят на нескольких об
разцах генераторов с несколькими резонаторами, один из которых
имеет добротность, близкую к минимально допустимой Для КГ
на частоту 10 МГц по емкостной трехточечной схеме с биполяр-
ным транзистором и одним буферным каскадом типичным резуль-
татом является изменение частоты на ±1 10-7 при изменении со-
противления нагрузки на ±20%
После установки номинальной частоты следует определить пре-
делы ее коррекции при крайних состояниях подстроечного элемен-
та Пределы коррекции должны обеспечивать возможность под-
стройки частоты на величину допустимого ее старения за время
хранения и эксплуатации
Как известно, сопротивление и добротность резонатора явля-
ются наименее стабильными его параметрами Поэтому схема КГ
должна быть выполнена так, чтобы частота слабо зависела от
Проверка схемы генератора
267
добротности резонатора при изменении последней в допустимых
пределах Чтобы получить представление о характере этой зависи-
мости следует измерить частоту нескольких образцов КГ при
включении в них поочередно сначала резонатора с добротностью,
близкой к минимально допустимой, а затем другого резонатора со
значительно более высокой добротностью Если частота генерации
существенно зависит от добротности резонатора, то эта завмси
мость будет различной у разных образцов КГ Если же разность
частот генерации с двумя Использованными резонаторами будет
одинаковой для всех образцов КГ, то можно косвенно судить о
том, что частота генерации слабо зависит от добротности Разу-
меется при проведении испытания необходимо обеспечить постоян
ствю температуры резонаторов Данное испытание обязательно дол-
жно проводиться если КГ предназначены для использования в ка-
честве эквивалентов для возбуждения резонаторов при их наст
ройке и испытаниях В этом случае необходимо подстроить КГ
к одному значению частоты с использованием одного резонатора,
принятого за образцовый
Если КГ будут использоваться в качестве эквивалентов, то не
обходимо проверить достаточно ли совершенны контактные устрой
ства предназначенные для подключения резонатора Изменения
частоты КГ при повторных подключениях одного и того же резона
тора не должны превышать малой доли (примерно 10%) от наи
меньшего из допусков на изменение частоты резонатора под влия
нием того или иного предусмотренного для резонатора воздейст-
вия Кроме того нужно убедиться что за время необходимое для
проведения любого испытания, предусмотренного для резонатора,
самопроизвольные вариации частоты КГ не превышают малой до-
ли от допустимого изменения частоты по данному виду испытаний
Если КГ должен эксплуатироваться <в широком интервале тем-
ператур а допустимое изменение частоты невелико, то необходимо
исследовать зависимость частоты генерации от температуры КГ
Для этого резонатор и схему помещают в раздельные термостаты,
имеющие общую теплоизолирующую панель, через которую про-
пускают соединительные провода Температуру резонатора поддер-
живают постоянной, а температуру схемы изменяют в необходимых
пределах и измеряют частоту генерации Часто при выполнении
таких измерений можно ограничиться заключением резонатора в
пассивную термоизолирующую оболочку (например чехол из пело
пласта) Если в емкостной трехточечной схеме нагрузочная емкость
образована конденсаторами с малыми температурными коэффи
циентами емкости, то типичная величина изменения частоты у ге-
нератора на частоту 10 МГц составит (1—2) 10~6 в диапазоне
температур от —50 до 4-60°С Кроме частоты, следует также из-
мерять выходное напряжение КГ в зависимости от температуры
Посте доработки схемы с учетом данных экспериментальной
проверки проводит испытания готовых КГ на устойчивость к ме-
ханическим и климатическим воздействиям и на старение
Не все упомянутые в данном параграфе испытания обязатель-
но нужно проводить в полном объеме для любого КГ В каждом
конкретном случае виды и характер испытаний должны соответ-
ствовать требованиям, предъявляемым к КГ
268
Приложение 1. Правила обращения с резонаторами
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРАВИЛА ОБРАЩЕНИЯ С РЕЗОНАТОРАМИ
При установке резонаторов в аппаратуру, а также при их
эксплуатации всегда следует учитывать ограниченную механичес-
кую прочность внутреннего устройства резонаторов и соблюдать
предписанные технической документацией правила обращения с ни-
ми Эти правила обычно излагаются в паспортах, сопроводитель-
ных инструкциях и предписывают соблюдать особую осторожность
при обращении
J Резонаторы нельзя ронять <При падении на твердую поверх-
ность стола или пола развиваются значительные силы, в резуль-
тате чего могут происходить обрывы или деформации элементов
крепления Даже если резонатор после падения и продолжает
функционировать, обычно наблюдаются изменения частоты, как
правило, ее понижение, нередко превышающие установленные до-
пуски Установка в аппаратуру резонатора, подвергшегося паде-
нию, опасна, так как прочность крепления ПЭ может быть ослаб-
лена и в паяных соединениях могут наблюдаться дефекты в виде
трещин, отслоений и т д На рабочих местах следует предусмот-
реть войлочные или другие мягкие подстилки, а персонал должен
быть ознакомлен с правилами обращения
12 Бережного и осторожного обращения требуют выводы ре-
зонаторов Их нельзя выгибать и выправлять без специальных
шаблонов В стекле, через которое проходят выводы, при изгибе
последних могут возникать трещины и сколы, являющиеся причи-
ной нарушения герметичности Для вакуумных резонаторов это
грозит натеканием и потерей вакуума Если выводы жесткие и
вставляются в панель, необходимо установить соответствие распо-
ложения выводов и ответной части панели и контролировать пра-
вильность и точность сочленения, производя последнее осторожно
Для предохранения выводов резонаторов некоторые предприя-
тия снабжают резонаторы специальными предохранителями, оде-
ваемыми на выводы
Гибкие выводы, предназначенные для пайки, изгибают, исполь-
зуя специальные приспособления или шаблоны Изгиб выводов
Производят на расстоянии примерно 5 мм от корпуса Следует соб-
людать осторожность при откусывании выводов Откусывание не
должно происходить резко, со щелчком, поскольку происходящий
при этом механический импульс нередко приводит к возникнове-
нию трещин в местах впая выводов в стекло
3 Пайка выводов требует осторожности и соблюдения пред-
писаний в отношении мощности и температуры жала паяльника
Пайку следует производить быстро, не допуская излишнего пере-
грева места пайки Перегрев выводов может вызвать растрескива-
ние стекла в местах вводов, а в некоторых миниатюрных конст-
рукциях деформацию внутренних паяных соединений
4 При креплении резонатора к панели прибора следует соб-
людать осторожность, с тем чтобы элементы крепления не вызы-
вали повреждений корпуса или выводов Между элементами креп-
ления и корпусом должна из этих соображений устанавливаться
мягкая прокладка Усилия при закреплении не должны вызывать
деформаций корпуса Крепление резонаторов предпочтительнее осу-
Приложение 2. Схемные изображения резонаторов
269
ществлять при помощи клеев, мастик или компаундов К сожале-
нию, вопросы крепления потребители решают пю-разному и единых
правил их монтажа не существует За рубежом многие фирмы
снабжают корпуса приваренными или припаянными деталями для
крепления или прикладывают отдельные детали наподобие хому-
тиков или прижимов Гибкие выводы при установке не должны
быть натянуты
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
СХЕМНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ РЕЗОНАТОРОВ
Разнообразие типов резонаторов в ряде случаев требует исполь-
зования особых схемных изображений, отражающих их особенно-
сти и помогающих точнее и правильнее понять действие схемы, в-
которой использованы резонаторы Эти обозначения иногда уточ-
няют форму ПЭ, число, расположение и схему соединения электро-
дов, число полюсов и некоторые другие особенности резонаторов.
Ниже приведены некоторые схемные изображения, используемые
в различных источниках. В технической документации допускаются
обозначения для двухполюсного резонатора безотносительно к фор-
ме его ПЭ, числу, расположению и схеме соединений его электро-
дов Обозначения для резонаторов с большим чем два числом элек-
тродов <не стандартизованы
А. Двухполюсные резонаторы
- Стандартное изображение безотноси-
тельно к форме ПЭ, виду колебаний, чис-
лу и схеме соединений электродов Цифра
обозначает порядок возбуждаемых коле-
баний
Резонатор с ПЭ в форме стержня с
четырьмя электродами на боковых лранях
для возбуждения изгибных и крутильных
колебаний
Резонатор с четырьмя электродами на
двух противоположных гранях для воз-
буждения изпибных и крутильных колеба-
ний с параллельным (а) и последователь-
ным (б) соединениями электродов
-о
270
Приложение 2. Схемные изображения резонаторов
» ---- Составной (биморфный) резонатор с
I ---------1—° CL параллельным (а) и последовательным (б)
» соединениями электродов
J_____
I d S
-----1-----
I I I
I
Резонатор с составным ПЭ
Резонаторы продольных и сдвиговых
колебаний с угловыми электродами
Д|В}хчастотный резонатор с общим
электродом
Б. Многополюсные резонаторы
Трехполюсный резонатор с электродами на
двух противоположных гранях а) с общим элек-
тродом; б) с перекрещенным соединением элек-
тродов, в) с экранирующим электродом
в
— а
—— Трехполюсный резонатор с электродами на
четырех гранях для возбуждения а) изгибных
и крутильных колебаний, б) продольных и сдви-
---- говых колебаний
Приложение 2. Схемные изображения резонаторов
271
Трехполюсный составной резонатор
Четырехполюсный резонатор с электродами
а) на двух гранях, б) на четырех гранях
Много полюсный резонатор
Два несвязанных (изолированных) резонато-
ра на общей пьезоггодложке
Акустически связанные резонаторы на общей
пьезоподложке
Резонаторы на общей пъезоподложке, из ко-
торых два акустически связаны, а один—изоли-
рован
Акустически связанные резонаторы на общей
пьезоподложке с пассивными замкнутыми элек-
тродами
В Резонаторы с другими элементами
Резонатор с электродом-резистором
Резонатор с пленочным резистором на по-
верхности ПЭ
272
Приложение 3. Условные обозначения срезов
а
Резонатор с кристаллическим конденсато-
ром (обозначен С) на общей пьезоподложке.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ СРЕЗОВ
Для обозначения ориентации кварцевых элементов относитель-
но кристаллофиэическик осей кристалла принята система Амери-
канского института радиоинженеров, положенная в основу отрас-
левого стандарта [148, 30].
Левый кристалл
кварца
+Z|
Правый кристалл -
кварца
Рис. П.3.1. Система кристаллофизических осей, при-
нятая для обозначений срезов кварца. X, Y и Z —
координатные оси, грани кристалла кварца:
R — большого ромбоэдра; 1• — малого ромбоэдра; т —
призмы; з — тригональной дипирамиды; х — триго-
нального трапецоэдра
'Ориентация элемента в виде прямоугольной пластины, длина,
ширина и толщина которой соответственно обозначены I, b и s,
осуществляется относительно правой системы прямоугольных коор-
динат, привязанной к идеальным формам левого и правого крис-
талитов кварца, как показано на рис. П^Л. Оси координат X, Y
и Z называют соответственно электрической, механической и опти-
Приложение 3. Условные обозначения срезов
273
ческой осями. Ось Y (перпендикулярна грани призмы т кристалла,
и ее положительное направление определяется положением, при
котором грань малого ромбоэдра г кристалла оказывается над от-
резком оси Y, выходящим из грани т. Ось Z совпадает с осью
симметрии третьего порядка кристалла, а ось X, перпендикулярная
осям У и Z, параллельна грани призмы т. Положительные нап-
равления осей X и Z однозначно определяются положительным
направлением оси У и условием правизны системы координат.
Рис. П 3 2. Первоначальные ориентации кварцевых элементов относительно
координатных осей X, Y и Z. Буквами R и г показаны проекции гргжей
большого и малого ромбоэдров кристалла на плоскость чертежа, буквами
I, Ъ и s — соответственно длина, ширина и толщина элемента
Обозначения срезов состоят из условного обозначения так на-
зываемой первоначальной ориентации элемента, условных обозна-
чений (углов поворота элемента и его ребер, указывающих направ-
ления уплов поворота. За первоначальные ориентации принимают
такие, при которых ребра элемента параллельны координатным
осям X, У и Z. Поэтому первоначальных ориентаций оказывается
шесть, и они показаны на рис. П.3.2. Первоначальная ориентация
обозначается двумя малыми буквами, соответствующими обозна-
чениям координатных осей. Первая буква определяется направле-
274
Приложение 3. Условные обозначения срезов
нием толщинного ребра, вторая — направлением длинного ребра
элемента.
Ориентация элемента может совпадать с одной из первона-
чальных ориентаций или может быть получена посредством одно-
го, двух и трех поворотов на соответствующие углы вокруг его
ребер. В зависимости от числа поворотов образуются одно-, двух-
и трейпроводные срезы
Условные обозначения повернутых срезов состоят из индексов
первоначальной ориентации, букв, обозначающих ребра, вокруг ко-
торых осуществлены повороты элемента и букв или цифр, соот-
ветствующих углов поворота. Направления углов поворота обоз-
Рис П 3 3 Примеры, показывающие положения некоторых срезов от-
носительно осей кварца и соответствующие им условные обозначения
Список литературы
275
начают знаками плюс или (и) минус. Положительными считают уг-
лы, образующиеся при * поворотах (против движения ча'оовой стрел-
ки, если смотреть со стороны положительного конца ребра, являю-
щегося осью поворота. За положительное направление ребра при-
нимают направления, совпадающие в первоначальном положении
с положительным направлением координатной оси Направления
поворотов обозначают буквами, соответствующими ребрам, указы-
вающим длину, ширину и толщину Конкретные углы поворота
указывают в (градусах и минутах, разделяя значение каждого угла
косыми чертами^ Углы поворотов вокруг толщины, длины и ши-
рины в общем случае обозначают соответственно буквами гречес-
кого алфавита а, р и у
Примеры обозначения срезов:
ху— совпадающий с первоначальной ориентацией;
xysja0 — одноповоротный срез, образованный поворотом эле-
мента первоначальной ориентации ху вокруг его толщины з на
\гол а,
xylsffi°/a° — двухпаворотный срез, образованный первым пово-
ротом элемента первоначальной ориентации ху вокруг длины I на
угол Р и вторым поворотом вокруг толщины з на угол а;
xylbs/$°/Y°/a° — трехповоротный срез, образованный первым по-
воротом элемента первоначальной ориентации ху вокруг длины I
на угол Р, вторым поворотом вокруг ширины b на угол у и треть-
им поворотом вокруг толщины з на угол а.
Значения углов поворота находятся в пределах от 0 до±90°.
На рис. П 3 3 показаны положения элементов аекоторых срезов
относительно оси кварца и их условные обозначения в соответст-
вии с описанной выше системой
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Buchanan J. Р., Handbook of Piezoelectric crystals for Radio
equipment designers. Carpenter litho &, Prtg Co,-Springfield. O.
1957. 492 p
2 Плонский А. Ф. Пьезокварц в технике связи. М., Госэнерго-
издат, 1951 223 с
3 Солнцев Б. К. Эксплуатация кварцевых резонаторов и возбу-
дителей. М, Овязьиздат, 1955 68 с.
4 Тюльпанов А. А. Технология производства кварцевых пластин.
М, Госэнергоиэдат, 1955 194 с.
5. Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. Л,
«Энергия», 1969 260 с
6 Смагин А. Г. Прецизионные кварцевые резонаторы. М., Изда-
тельство стандартов, 1964 239 с.
7. Смагин А. Г. Пьезоэлектрические резонаторы. М, Издатель-
ство стандартов, 1967. 260 с
8 Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца
и кварцевые резонаторы. М., «Энергия», 1970 488 с.
9. Ярославский М. И., Смагин А. Г. Конструирование, изготов-
ление и применение кварцевых резонаторов. М, «Энергия»,
1971 168 с
276
Список литературы
10. Альтшуллер Г. Б. 'Кварцевая стабилизация частоты. М.,
«Связь», 1974. 272 с.
11. Резонаторы кварцевые вакуумные на частоты колебаний от
4 кГц до 100 МГц. ГОСТ 11599—67. Введен 1/III 1968. М.,
1968. 35 с.
12. Резонаторы кварцевые герметизированные на частоты колеба-
ний от 0,75 до 100 МГц. ГОСТ 6503—67. Введен 1/1II 1968.
М., 1967. 25 с.
13. Резонатор кварцевый герметизированный на частоты колеба-
ний от 50 до 750 кГц. ГОСТ 18708—73. Введен 1/VII 1974.
|М., 1973. 23 с.
14 Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М., «Энергия», 1977.
248 с.
15. Мартынов В. А., Райков П. Н. Кварцевые резонаторы. М.,
«Сов. радио», 1976. 64 с.
16. Желудев И. С. Электрические*кристаллы. М., «Наука», 1969.
216 с.
17. Желудев И. С. Физика кристаллических диэлектриков. М.,
«Наука», 1968. 463 с.
18. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практические применения.
М., ИИЛ, 1948. 718 с.
19. Bechmann R. Schwingkristalle fiir Siebschaltungen.—«Archiv
der Elektrischen Ubertraqung», 1964, II, Bd. 18, N 2, s. 129—
136.
20 Снопов Ю. С., Кочетыгов В. В. К вопросу измерения стати-
ческой емкости пьезокерамических резонаторов.— «Электрон-
ная техника», серия 9, 1970, вып. 5, с. 107.
21. Мэзон У. Применение пьезоэлектрических кристаллов и меха-
нических резонаторов в фильтрах и генераторах. — В кн.:
«Физическая акустика», под ред. У. Мэзона. М., «Мир», 1966,
т. 1, ч. А, с. 398—488. "
22. Пружанский М. М. Стабилизация частоты генераторов УКВ
по методу возбуждения кварца на гармониках. — «Радиотех-
ника», 195i6, № 11, с 15—27.
23. Кварцевые резонаторы для генераторов. Рекомендация МЭК-
Разд. 1 и 2, публикация 122—1. Изд. 1-е, 1964. 32 с.
24. Кварцевые резонаторы для генераторов. Рекомендация МЭК.
Разд. 3, публикация 122—2. Изд. 1-е, 1964. 47 с.
25. Кварцевые резонаторы для генераторов. Рекомендация МЭК.
Публикация 122—3. Изд. 1-е, 1970. 52 с.
26. Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых генерато-
ров. Изд. 2-е. М., «Связь», 1975. 304 с.
27. Плоиский А. Ф. К вопросу повышения температурной стабиль-
ности прецизионных кварцевых генераторов. — «Радиотехника.
Известия вузов», 1960, т. 3, № 3, с. 326—336.
28. Essler R., Reichel Р. Ein Verfahren zur Messung piezoelectri-
scher Resonatoren mit unterteilten Elektroden.—«Nachrichten-
technik», 1967, B. 17, N 7, S. 286—288.
29. Резонаторы кварцевые. Классификация • и система условных
обозначений. ГОСТ 20297—74. Введен 1/VII 1975. М, 1974.
5 с.
30. Элементы кварцевые кристаллические. Условные обозначения
срезов. Отраслевой стандарт. ОСТ 11 ПО.338.001—72. 1973.
12 с.
Список литературы
277
31. Резонаторы кварцевые. Основные размеры Отраслевой стан-
- дарт. ОСТ 11 338.002—75. 1975. 25 с.
32. Поздняков' П. Г. Расчет пьезоэлементов с асимметричными
частотно-температурными характеристиками. — «Электронная
техника», серия 9, 1968, вып. 4, с. 86.
33 Ильичев В. А. Температурная зависимость динамических ре-
активных параметров кварцевых резонаторов. — «Электрон-
ная техника», серия 10, 1972, вып. 3, с. 45—53.
34. Гильварг Б. А., Ливенский Г. А. О влиянии режима испыта-
ний на величину старения кварцевых резонаторов. — «Элек-
тронная техника», серия 9, 1970, вып. 5, с. 12—117.
35. Жданов Г. С. и др. Об упругих свойствах кварца, облучен-
ного нейтронами. — «Кристаллография», 1958, т. 3, вып. 6,
с. 720—725.
36. Акишин А. И. Влияние ионизирующей радиации на пьезоэлек-
трические свойства пластин кварца. В кн.: Радиационная фи-
зика неметаллических кристаллов Минск, «Наука и техника»,
1970. 256 с.
37. Poll R. A., Ridway S. L— «IEEE Trans. Nucl. Sc.», 1966, NS-13,
N 6.
38. Лобанов E: M., Чубаров Л. Б., Зверев Б. П. Влияние облу-
чения в активной зоне ядерного реактора на частоту колеба-
ний кварцевых пластин. — «Радиотехника и электроника»,
1968, № 10, с. 1864—4866.
39. Фрезер Д. Примеси и внутреннее трение в кристаллическом
кварце.— В кн.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзонв.
М, «Мир», 1973, т V, с. 72—133.
40. Ballman A. A. «Amer. Minerallogist», 1961, v. 46, р. 439.
41. Смагин А. Г., Травкина С. Ф. Влияние амплитуды колебаний
на параметры и характеристики кварцевых резонаторов. —
«Электронная техника», серия 9, 1970, вып. 6, с. 34—37.
42. Андросова В. Г., Поздняков П. Г. Способ нанесения никеле-
вого покрытия на кварцевые пластины. А. С. № 127293 (СССР).
Опубл, в Бюл. изобрет. и товарных знаков, 1960, № 7.
43. Поздняков П. Г., Андросова В. Г. Способ нанесения дисперс-
ного серебра на кварцевые пластины. А С. № 106175 (СССР).
Опубл, в Бюл. изобрет. и товарных знаков, 1957, № 5.
44. Поздняков П. Г. Способ регулировки частоты кварцевых ре-
зонаторов. А.С. № 154576 (СССР). Опубл, в Бюл. изобрет.
и товарных знаков, 1963, № 10.
45. Поздняков П. Г. Способ настройки частоты вакуумных квар-
цевых резонаторов. А. С. № 110266 (СССР). Опубл, в Бюл.
изобрет. и товарных знаков, 1958, № 1.
46. Храмов Л. В., Ярославский М. И. Методика расчета кварце-
вых пьезоэлементов, совершающих колебания изгиба в плос-
кости XY'. — «.Кристаллография», 1961, т. 5, № 5, с. 807.
47. Гербер Е., Сайкс Р. Кварцевые резонаторы и генераторы —
современный уровень техники — «ТИИЭР», 1966, т. 54, № 2,
с. 5—19-
48. Васин И. Г. и др. Кварцевые резонаторы с прорезными пьезо-
элементами.— «Кристаллография», 1962, т 7, вып. 1, с. 150—
152.
“278
Список литературы
49. Поздняков П. Г. Вакуумированный кварцевый резонатор.
А С. № 176608 (СССР). Опубл, в Бюл. изобрет. и товарных
знаков, 1965, № 23.
50. Поздняков П. Г., Васин И. Г. Кварцевый резонатор. А С.
№ 118525 (СССР). Опубл, в Бюл. изобрет. и товарных зна-
ков, 1959, № 6.
51. Поздняков П. Г., Васин И. Г. Кварцевый резонатор. А С.
№ 151389 (СССР). Опубл, в бюлл. «Изобретения. Промышлен-
ные образцы. Товарные знаки», 1966, № 24
52. Поздняков П. Г. Резонаторы крутильных колебаний с укоро-
ченными электродами — «Электронная техника», серия 9,
4966, вып. 3, с. 3—17.
53. Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы крутильных колеба-
ний.— «Кристаллография», 1970, т 15, вып I, с. 78—85
54. Поздняков П. Г., Банков В. Н., Васин И. Г. Кварцевые резо-
наторы крутильных колебаний. — «Электронная техника», се-
рия 9, 1970, вып 6, с 3—13
55. Поздняков П. Г., Банков В. Н., Васин И. Г. Об обертонах
крутильных колебаний кварцевых стержней — «Кристаллогра-
фия, 1970, т 15, вып. 5, с. 1033—4037
56. Черных Г. Г., Банков В. Н., Поздняков П. Г. К расчету соб-
ственных частот крутильных колебаний кварцевых пьезоэле-
ментов— «Кристаллография», 1971, т. 16, вып. 4, с 792—795.
57. Васин И. Г., Поздняков П. Г. Кварцевый резонатор. Патент
Франции, № 1372243, 1963.
58. Васин И. Г., Поздняков П. Г. Кварцевый резонатор. Патент
Великобритании, № 1051246, 1963.
59. Васин И. Г., Поздняков П. Г. Кварцевый резонатор Патент
Японии, № 43—22268, 1963.
60. Васин И. Г., Поздняков П. Г. Кварцевый резонатор. Патент
ФРГ, № 1466582, 1963
61. Васин И. Г., Поздняков П. Г. Кварцевый резонатор. Патент
США, № 3376439, 1964.
62 Поздняков П. Г., Банков В. Н., Васин И. Г. Кварцевый резо-
натор крутильных колебаний. А. С. (СССР) № 253162. Опубл,
в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром, образцы. Товарные
знаки», 1969, № 30
63. Franx С. Патент ФРГ, № 1051915, 1959.
64. Поздняков П. Г. Пьезоэлектрический резонатор с кристалли-
ческим элементом. А. С № 150881 (СССР). Опубл, в Бюл.
изобрет. и товарных знаков, 1962, № 20.
65. Поздняков П. Г. Составной пьезоэлектрический резонатор.
А С. № 105435 (СССР). Опубл, в бюл. изобрет. и товарных
знаков, 1957, № 3.
66. Поздняков П. Г. Пьезоэлектрический резонатор. А. С. № 125821
(СССР). Опубл, в Бюл. изобрет. и товарных знаков, 1960,№3.
67. Банков В. Н. Анализ влияния нанесенных масс на частоту
пьезоэлементов, совершающих колебания сжатия—растяжения
по длине. — «Электронная техника», 1967, серия 9, вып 3,
с. 45.
68. Стрэтт Д. В. (Рэлей). Теория звука. Т. I. М., Издательство
технико-теоретической литературы, 1940. 499 с.
Список литературы
279
69. Mortley W. S.—«F.M.Q.», «Wireless World», 1951, v. X, N 57,
p. 399—403.
70. Shockley W., and oth. Energy Trapping and Related Studies of
Multiple Electrode Filter Crystals.—«Proc. 17th Annual Sympo-
sium on Frequency Control», 1963, p. 88—126.
71. Holland R., Eer Nisse E. Design of resonant piezoelectric devi-
ces. Research Monograph N 56. The M. J. T. Press, Cambridge,
Massachusetts, London, 1969, 258 p.
72. Багаев В. П. Расчет эквивалентной индуктивности металли-
зированных кварцевых линз среза АТ. — «Электронная техни-
ка», серия 9, 1966, вып. 3, с. 18—28.
73. Самойлов В. С. Низкочастотные моды контурных колебаний
кварцевых пластин. — «Электронная техника», серия 9, 1969,
вып. 3, с. 3—12.
74. Черных Г. Г., Гарбадей Я. А. К вопросу о контурных колеба-
ниях кварцевых резонаторов — «Электронная техника», се-
рия 9, 1970, вып. 2, с. 9—22.
75. Atwood A.—«RCA Communication», 1938, N 4, р. 18.
76. Sogn L. T. Патент США, № 3072806, 1963.
77. Дикиджи А. Н., Рясик 3. В. Новые модификации пьезоэлемен-
та среза ДТ и возможности их использования в диапазоне-
частот 400—700 кГц —«Электронная техника», серия 9, 1967,.
<вып 3, с 3—15.
78. Royer J. J. Патент США, № 3408515, 1968
79 Друккер Ю. М., Шкуратник В. Л., Самойлов В. С. Характе-
ристики резонаторов среза ДТ с оконтуренными пьезоэлемен-
тами.— «Электронная техника», серия 5, 1975, выл. 1, с. 16—
23.
80 Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш., Кузнецова Л. П., Перель-
ман Г. Г. Пьезоэлектрический элемент. А С. № 313285 (СССР).
Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром, образцы. То-
варные знаки», 1971, № 26.
81. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Резонаторы среза ДТ с
(пьезоэлементами сегментной формы.-—«Электронная техни-
ка», серия 10, 1973, вып. 2, с. 22—26.
82. Андросова В. Г., Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы сдви-
говых колебаний со стержневыми пьезоэлементами. — «Докла-
ды Академии наук СССР», 1973, т. 212, № 2, с. 142.
83. Андросова В. Г., Поздняков П. Г. Пьезокварцевый резонатор..
А.С. № 337907 (СССР). Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобре-
тения. Пром, образцы. Товарные знаки», 1972, № 15.
84. Андросова В. Г. и др. Пьезоэлемент. А. С. № 39065'5 (СССР).
Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром, образцы. То-
варные знаки», 1973, № 30..
• 85. Поздняков П. Г., Андросова В. Г. Патент США № 3588554,
1971.
86. Поздняков П. Г., Андросова В. Г. Патент Великобритании*
№ 1247217, 1971.
87. Поздняков П. Г., Андросова В. Г. Патент Франции №2029186,.
1970
88 Андросова В. Г., Поздняков П. Г. Пьезокварцевый резонатор.
А. С. № 311375 (СССР). Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобрел
тения. Пром, образцы. Товарные знаки, 1971, № 24.
280
Список литературы
89. Андросова В. Г., Поздняков П. Г., Бирюков В. И. О зависи-
мости частоты колебаний сдвига кварцевых стержней от тем-
пературы.— «Доклады Академии наук GCCP& 1974, т. 219,
№ 1.
90. Bechmann R. Патент Германии № 734783, 1943.
91. Lack F., Willard G., Fair T.—«Bell System Technical Journal»,
1934, v. 13, p. 453—463.
92. Sykes R. — «Bell System Technical Journal», 1944, v. 23,
p. 178—189.
93. Bechmann R. Eigen schaften von Quartzoszillatoren und Reso-
natoren in Bereich von 300 bis 5000 kHz.—«Hochfrequenztech-
nik und Elektroakustik», 1942, B. 59, H. 4, S. 97—105.
94. Bechmann R. Frequency—temperature—angle characteristics of
AT- and ВТ-type quartz oscillators in an extended temperature
range.—«Proceeding of the Institute of Radio Engineering»,
I960,' v. 48, N 8. 4
95. Bechmann R., Durana V. Vibration with temperature of quartz
resonator characteristics.—«Proceeding of the IRE», 1956, v. 44,
N 3, p. 23—25.
96. Bechmann R. Filterquarze im Frequenzbereich 7 bis 30 MHz.—
«Archiv der Elektrischen Ubertragung», 1959, 11, Bd. 13, N 2,
S. 90—93.
97. Warner A. Design and performance of ultraprecise 2,5 Me qu-
artz units.—«Bell System Technical Journal», 1960, N 5,
p. 1193—1217.
98. Mindlin R., Forrey M. Thickness—shear and flexural vibrations
of crystal plates.—«Journ. Appl. Physic», 1959, v. 22, N 3,
p. 316—323.
99. Holland R., Eer Nisse E. Design of resonant piezoelectric devi-
ces.—«M.J.T. Press», Cambridge, London, 1969, 258 p.
100. Черных Г. Г., Богуш М. Е. Вывод приближенных уравнений,
описывающих колебания пьезоэлементов среза АТ на частотах
в районе третьей гармоники сдвига по толщине. — «Электрон-
ная техника», 1977, серия 5, выл. 2(21), с. 15—26.
101. Самойлов В. С. и др. Некоторые вопросы теории колебаний
пьезоэлектрических резонаторов с оконтуренными пьезоэле-
ментами.— «Электронная техника», 1972, серия 10, вып. 3,
fc. 3—15.
1-02. Поздняков П. Г., Хайкин 3. Э., Ярославский М. И. Гермети-
зированный кварцевый резонатор в колбе от пальчиковой ра-
диолампы. — «Радиотехническое производство». М., Издатель-
ство БТИ МРТП, 1956, № 3, с. 53, 54.
103. Bechmann R. Патент США, 1941, № 2.249.933.
104. Поздняков П. Г., Андросова В. Г., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пьезоэлементами среза АТ прямоугольной фор-
мы.—.«.Электронная техника», 1970, серия 9, вып. 2, с. 33—39.
105. Белякович Э. И. К расчету прямоугольных плоских пьезоэле-
ментов, совершающих сдвиговые колебания. — «Электронная
техника», 1973, серия 10, вып. 4, с. 92—94.
106. Белякович Э. И. Конструирование низкоиндуктивных фильтро-
вых кварцевых резонаторов на частоты от 1 до 10 МГц. —
«Электронная техника», серия 5, 1977, вып. 2(21), с. 27—36.
Список литературы
281
107. Seed A. Development of high Q ВТ—cut quartz resonator.—
«Brit. J. Appl. Phys.», 1965, v. 16, N 9, p. 1341—1346.
108. Шубников А. В. Кварц и его применение. Издание Академии
Наук СССР, 1940. 194 с.
109. Ives W. R., Bottom V. Е. Патент США № 2743144, 1956.
НО. Бехман Р., Баллато А. Д., Лукашек Т. И. Температурные ко-
эффициенты высших порядков для упругих констант и моду-
лей альфакварца. — «Труды института радиоинженеров», 1962,
№ 8, (русский перевод), с. 1853—1863.
111. Андросова В. Г., Ярославский М. И. Частотные коэффициенты
двояковыпуклых кварцевых линз среза ИТ и расчет их основ-
ного размера. — «Вопросы радиоэлектроники», 1963, серия 3,
вып. 6, с. 3—6.
112. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш., Перельман Г. Г. Кварцевые
резонаторы среза ухЫ)—13°54735°. — «Электронная техника»,
1967, серия 9, вып. 3, с. 17—26.
113. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш., Кузнецова Л. П., Перель-
ман Г. Г. Прецизионные кварцевые резонаторы срезов
ухЫ1\1$. — «Электронная техника», 1968, серия 9, вып. 4,
с. 3—11.
114. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш., Ивлев Л. Е., Теренько В. С.
Устройство для стабилизации частоты генераторов. А. С.
№ 243977 (СССР). Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобретения.
Пром. Образцы. Товарные знаки», 1969, № 17.
115. Травкина С. Ф., Шин В. Некоторые параметры кварцевых ре-
зонаторов с пьезоэлементами срезов ухЫ/±а/±.&. — «Элек-
тронная техника», 1968, серия 9, вып. 5, с. 32—39.
116. Травкина С. Ф., Караульник А. Е., Шин В., Ярославский М. И.
Способ изготовления кварцевых резонаторов. А. С. № 474906
(СССР). Опубл, в бюлл. «Открытия. Изобретения. Пром, об-
разцы. Товарные знаки», 1975, № 23.
117. Теренько В. С., Ивлев Л. Е. О силовом коэффициенте часто-
ты кварцевых резонаторов. — «Электронная ’техника», 1968,
серия 9, вып. 5, с 45—49.
118. Ивлев Л. Е. Температурно-динамический коэффициент часто-
ты и температурно-динамические характеристики прецизион-
ных кварцевых резонаторов. — «Электронная техника», 1967,
серия 9, вып. 4, с. 20—29.
119. Ивлев Л. Е., Дикиджи А. Н. Влияние нестационарного тепло-
вого режима на частоту прецизионных кварцевых резонато-
ров. — «Электронная техника», 1968, серия 9, вып. 4, с. 12—22.
120. Старение прецизионных кварцевых резонаторов. — «Измери-
тельная техника», 1975, № 3, с. 74.
121 Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш., Бякова В. А. Прецизионные
кварцевые резонаторы. — «Электронная техника», 1968, се-
рия 9, вып. 5, с. 52—57.
122. Sykes R. A., Smith. W. L., Spenser W'. J.—Performance of
Precision Quartz Crystal Controlled, Frequency Generators.—
«IRE Transact, on Instrum», 1962, December, v. 1, N 11,
p. 243—247.
123 Варфоломеева Г. И., Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Гисте-
резис частоты прецизионных резонаторов после температурных
282
Список литературы
'воздействий. — «Электронная техника», 1973, серия 10, вып. 4,
с. 22—29.
124. Дикиджи А. Н., Теренько В. С. О применении токопроводящих
клеев в конструкциях прецизионных кварцевых резонаторов. —
«Электронная техника», 1974, серия 5, вып: 2, с. 95—96.
•125. Шапиро В. А., Дикиджи А. Н., Коган М. Н., Варфоломеева
Г. И. Способ стабилизации частотных характеристик кварце-
вых резонаторов. А. С. № 318144 (СССР). Опубл, в бюлл.
«Открытия. Изобретения. Пром, образцы. Товарные знаки»,
1971, № 31.
126. Поздняков П. Г., Рахманинов С. Ф., Снопов Ю. С. Кварцевый
генератор. А. С. № 154889 (СССР). Опубл, в бюлл. «Откры-
тия. Изобретения. Пром, образцы. Товарные знаки», 1963,
№ 10.
127. Поздняков П. Г., Федотов И. М. Тепловое зондирование ко-
леблющихся пьезоэлектрических пластин. — «Доклады АН
(СССР», 1972, т. 205, № 6, с. 1339—1342.
128. Поздняков П. Г., Федотов И. М., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пленочными нагревателями. — «Электронная
техника», 1971, серия 9, вып. 4, с. 27—37.
129. Миниатюрные кварцевые резонаторы на частоты 30—35 кГц.—
«Электронная промышленность», 1977, № 1, с. 54—55.
130. Gerber Е. A review of methods for measuring the constants of
piezoelectric vibrators.—«Proc. IRE», 1953, N 9, p. 1103—1112.
131. Сухов Л. В., Богаткин А. И., Иванчин В. Ф. Измерение пара-
метров пьезоэлектрических изделий. — «Обзоры по электрон-
ной технике». М., и-т «Электроника», 1970, вып. 3(199), 84 с.
132. Хафнер Э. Пьезоэлектрический элемент — определения и ме-
тоды измерения. — «ТИИЭР», 1969, № 2, с. 77—100.
133. Gerber Е. A., Koerner L. F. Methods of Measurement of the
Parameters of piezoelectric Vibrators.—«Proc. IRE», 1958, N 10,
p. 1731—1737.
134. Стандартные определения и методы измерения пьезоэлектри-
ческих резонаторов, работающих в диапазоне частот до
30 МГц. Рекомендация МЭК. Публикация 302, 1972. 33 с.
135. Плонский А. Ф., Медведев В. А., Якубец-Якубчик Л. Л. Тран-
зисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные
на механических гармониках кварца. М., «Связь», 1969. 208 с.
136. Мамырин Б. А., Сосновкин Л. Н. Измерение параметров квар-
цев при помощи куметра. — «Труды ВКАС им. Буденного»,
1948, № 18, с. 21.
137. Пружанский М. М. Эквивалентные электрические параметры
пьезокварцевых пластин, возбуждаемых на гармониках. —
«Радиотехник^», 1957, № 8, с. 42—53.
138. Ильичев В. А. Некоторые принципы построения приборов для
непрерывного измерения динамического сопротивления квар-
цевых резонаторов в интервале рабочих температур. — «Элек-
тронная техника», 1971, серия 9, вып. 6, с. 118—126.
139. Adams С., Kusters G., Benjaminson A. Measurement Techniques
for Quartz Crystals.—«Frequency», 1968, N 8, p. 22—25.
140. Радиотехнические схемы на транзисторах и туннельных дио-
дах. Под ред. Р. А. Валитова. М., «Связь», 1972. 463 с.
Список литературы
283'.
141. Лапицкий Е. Г., Семенов А. Н., Сосновкин Л. Н. Расчет дна- .
пазонных радиопередатчиков. Л., «Энергия», 1974. 270 с.
142. Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабиль-
ные кварцевые автогенераторы М., «Сов радио», 1974. 376 с.
143. Босый Н. Д. Электрические фильтры. Киев, Гостехиздат
УССР, 1960. 616 с.
144. Великин Я. И., Гельмонт 3. Я., Зелях Э. В. Пьезоэлектричес-
кие фильтры. М, «Связь», 1966. 396 с
145. Капланов М. Р., Левин В. А. Автоматическая подстройка ча-
стоты. М., Госэнергоиздат, 1962. 320 с.
’ 146. Артым А. Д. Влияние параметров схемы на стабильность ча-
’ стоты кварцевого автогенератора. — «Вопросы радиоэлектро-
' ники», 1964, серия 9, вып. 33, с. 19—37.
147. Dwyer D. and oth. Quartz crystal oscillator circuit without in-
ductors.—«Wireless World», 1969, N 10, p. 474—476.
148. IRE Standarts on piezoelectric Crystals—The ‘Piezoelectric Vib-
rators.—«Proc. IRE», 1957, N 3, p. 353—358.
149. Изделия электронной техники и электротехники. Механичес-
кие и климатические воздействия. Требования и методы испы-
таний ГОСТ 16962—71. Введен 1/VII 1971. 42 с.
Валентина Георгиевна Андросова,
Владимир Николаевич Банков,
Анатолий Николаевич Дикиджи,
Владимир Авакумович Ильичев,
Анатолий Ефимович Караульник,
Петр Григорьевич Поздняков,
Серафим Владимирович Рахманинов,
Игорь Михайлович Федотов,
Владислав Николаевич Христофоров
СПРАВОЧНИК
ПО КВАРЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРАМ
Редактор В. К- Старикова
Художник Е. П. Аксенов
Технический редактор Г. И. Колосова
Корректор Р. М. Шишкова
Сдано в набор 31/Ш 1978 г. Поди, в печ. 24/VII 1978 г.
Т-11793 Формат 84ХЮ8'/з2 Бумага тип. № 2 Гарнитура литер: ,та<
Печать высокая 15,12 усл. печ. л. 19,91 уч.-изд. л. Тираж 15000 эка. -
Изд. № 17197 Зак. № 104 Цена 1 р. 30 коп.
Издательство «Связь». Москва 101000, Чистопрудный бульвар, д, 2
Типография издательства «Связь» Госкомиздата СССР
Москва 101000, ул. Кирова, д. 40
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие.................................................. 3
Терминология............................... . . . . 6
Сокращения................................................... 6
Условные обозначения............................ . 6
1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ . 4 f . 9
1.1. Определение и назначение................................ 9
1.2. Пьезоэлектрический эффект...............................10
1.3. Пьезоэлектрические преобразователи......................11
1.4. Коэффициент электромеханической связи...................14
1.5. Пьезоэлектрический преобразователь в электрической цепи 14
1.6. Принцип действия резонатора.............................15
1.7. Эквивалентная электрическая схема резонатор’а ... 17
1.8. Эквивалентные механические параметры....................19
1.9. Емкостное отношение и емкостный коэффициент ... 20
1.10. Влияние формы, расположения и размеров электродов
на параметры резонатора..................................20
1.11. Добротность............................................21
1.12. МеханичЛжие колебания..................................23
1.13. Взаимодействие' и связь колебаний различных видов . 26
1.14. Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний .... 27
1.15. Диапазон частот........................................31
2. КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР КАК ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИ-
ЧЕСКОЙ ЦЕПИ..................................... 32
2.1. Характерные особенности..........................32
2.2. Проводимость и сопротивление кварцевого резонатора . 33
2.3. Частотные параметры кварцевого резонатора .... 39
2.4. Электрические характеристики.....................42
2.5. Выбор величины допуска на точность настройки резона-
тора по частоте..........................................43
2.6. Выбор системы контролируемых параметров кварцевого
резонатора...............................................44
2 7. Полная эквивалентная схема двухэлектродного кварцевого
резонатора...............................................47
2 8. Эквивалентная схема четырехполюсного кварцевого резо- “
натора...................................................48
3. КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКЦИИ РЕЗОНАТОРОВ . 49
3.1. Признаки классификации резонаторов......................49
3.2. Конструкции резонаторов.................................54
3.3. Стандартизация..........................................72
Оглавление 285
Стр.
4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ПАРАМЕТ-
РЫ РЕЗОНАТОРОВ......................................75
41. Дестабилизирующие факторы........................75
4.2. Влияние температуры..............................76
4.3. Влияние быстрых изменений температуры на частоту . 81
4.4. Аномалии частотно-температурных характеристик . . 82
4.5. Зависимость сопротивления резонаторов от температуры 83
4.6. Температурные характеристики реактивных эквивалент-
ных электрических параметров.........................85
4.7. Влияние времени (старение)...........................87
4.8. Влияние влажности....................................90
4.9. Влияние атмосферного давления........................92
4.10. Влияние механических воздействий.....................93
4.11. Механические воздействия и прочность резонаторов . . 94
4.12. Воздействие радиационных излучений...............96
4.13. Воздействие уровня возбуждения (мощности рассеяния) 98
5. ПРОИЗВОДСТВО КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ . . 102
5.1. Особенности производства........................... . 102
5.2. Сырье для производства резонаторов...................103
5.3. Разделка кристаллов кварца...........................104
5.4. Ориентация заготовок.................................104
5.5. Шлифовка кварцевых пластин...........................104
5.6. Очистка и травление кварцевых пластин................105
5.7. Металлизация пьезоэлементой..........................106
5.8. Монтаж...............................................107
5.9. Окончательная настройка частоты......................107
5.10. Герметизация резонаторов............................109
6. РЕЗОНАТОРЫ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ .... ПО
6.1. Общие сведения . ........................ПО
6.2. Электрические характеристики ........ 115
6.3. Конструктивные данные............................122
6.4. Влияние конструктивных и технологических факторов на
качество резонаторов...............................125
6.5. Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы . . . 126
6.6. Рекомендации по применению...........................127
6.7. Возможности улучшения конструктивных и электрических
характеристик .......................................... 128
7. РЕЗОНАТОРЫ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ... 128
7.1. Общие сведения......................................128
7.2. Электрические характеристики........................131
7.3. Конструктивные данные...............................137
7.4. Рекомендации по применению..........................139
7.5. Перспективы и возможности улучшения конструктивных и
электрических характеристик ............................ 139
8. РЕЗОНАТОРЫ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ... 141
8.1. Общие сведения ............................. • * 141
286
Оглавление
Стр.
8 2. Электрические характеристики...................146
8.3. Конструктивные данные ... .................151
8 4. Влияние конструктивных и технологических факторов на
качество резонаторов.................................153
8 5 Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы . . . 153
8.6. Рекомендации по применению ... . 154
8.7. Возможности улучшения конструктивных и электрических
характеристик . ............................154
9. РЕЗОНАТОРЫ СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ (ОБЩИЕ
СВЕДЕНИЯ)..............................................155
10. РЕЗОНАТОРЫ ДТ И ДРУГИЕ РЕЗОНАТОРЫ КОН-
ТУРНО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ...........................165
10 1. Общие сведения^ ... .... . . 165
10. 2. Электрические характеристики ....................166
10. 3. Конструктивные данные............................168
10 4. Рекомендации по применению.......................169
10. 5 Перспективы и возможности улучшения конструктивных
и электрических характеристик ........................ 170
10. 6. Резонаторы других срезов контурно-сдвиговых колебаний 170
11. РЕЗОНАТОРЫ АП И БП..................................173
11.1. Общие сведения....................................173
11.2. Электрические характеристики......................176
11.3. Конструктивные данные........................... 178
11.4. Рекомендации по применению . .... ... 179
11 5. Возможности улучшения конструктивных и электрических
характеристик . . . . '........................180
11.6 Резонаторы БП.....................................181
12. РЕЗОНАТОРЫ АТ......................................182
12.1. Общие сведения...................................182
12.2. Электрические характеристики.....................185
12.3. Конструктивные данные............................191
12.4. Рекомендации по применению.......................196
12.5. Возможности улучшения характеристик..............196
13. РЕЗОНАТОРЫ БТ......................................197
13.1. Общие сведения..............................ч . 197
13 2. Электрические характеристики.....................198
13.3. Конструктивные данные............................202
13 4. Рекомендации по применению.......................202
14. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ СЛОЖНЫХ
СРЕЗОВ.................................................203
14 1. Общие сведения....................................203
14 2 Электрические характеристики............ . . 205
14 3. Конструктивные данные . . 210
Оглавление
287
14.4. Температурно-динамическце характеристики (ТДХ) . . 211
14.5. Рекомендации по применению.............................213
15. ПРЕЦИЗИОННЫЕ РЕЗОНАТОРЫ..................................213
15.1. Общие сведения............................1 . 213
15.2. Классификация....................................214
15.3. Электрические характеристики.....................216
15.4. Конструктивные данные............................223
15.5. Возможности улучшения характеристик..............224
16. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА...............-...............................225
16.1. Общие сведения.........................................225
16.2. Интегральные кварцевые генераторы......................226
16.3. Интегральные кварцевые фильтры.........................227
16.4. Резонаторы с пленочными нагревателями..................229
16.5. Бескорпусные резонаторы................................230
16.6. Микрорезонаторы........................................233
17. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНА-
ТОРОВ ................'..................................235
17.1. Общие сведения.........................................235
17.2. Измерение эквивалентных параметров и добротности в
режиме затухающих колебаний............................236
17.3. Измерение параметров резонаторов в режиме стационар-
ных колебаний..........................................237
17.4. Измерение параллельной емкости.........................246
17.5. Измерение параметров трех- и четырехполюсных кварце-
вых резонаторов...............................246
17.6. Измерение температурных характеристик .... 247
17.7. Измерение нестабильности частоты кварцевых резонаторов 247
17.8. Эквиваленты кварцевых генераторов........250
18. ПРИМЕНЕНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ... 251
18.1. Общие сведения...........................251
18.2. Селекция и дискриминация частоты.........251
18.3. Стабилизация частоты.....................252
18.4. Частота возбуждения кварцевого резонатора в автогене-
раторе ..................’.............................253
18.5. Кварцевые резонаторы в генераторах с параллельным
резонансом.............................................255
18.6. Кварцевые резонаторы в генераторах с последовательным
резонансом..................'..........................259
18.7. Соответствие параметров резонатора схеме генератора . 261
18.8. Особенности кварцевых резонаторов, предназначенных
для генераторов, управляемых по частоте .... 263
18.9. Проверка схемы генератора на соответствие требовани-
ям, предъявляемым к резонатору.........................264
Приложение 1. Правила обращения с резонаторами . . 268
Приложение 2. Схемные изображения резонаторов . . 269
Прил о ж е н и е 3. Условные обозначения срезов . . . 272
Список литературы....................... 275