СПРАВОЧНИК
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
РЕЗОНАТОРЫ
Под редакцией
П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова
МОСКВА
«РАДИО И СВЯЗЬ"
1992

ББК 32.844
П96
УДК 621.372,412:537.226.86@3)
Авторы: В. Г. Андросова , Е. Г. Бронникова, А, М. Васильев,
Я. Л. Вороховский, В. Б. Грузиненко, Б. И. Давыдов, В. Г, Колобков,
Ю. А. Кочетков, К. В. Киреев, А, Н. Дикиджи, В. А. Ильичев, П. Е. Кандыба,
П. Г. Поздняков, В. Н. Христофоров
? ец ен з ент ы; Г. Б. Альтшуллер и А. Г. Смагин
Редакция литературы по электронике
Пьезоэлектрические резонаторы: Справочник/В. Г.
П96 Андросова, Е. Г. Бронникова, А. М. Васильев и др.;
Под ред. П. Е. Кандыбы и П. Г. Позднякова. — М.:
Радио и связь, 1992. — 392 с: ил.
ISBN 5-256-00634-7.
Приведены сведения о назначении, устройстве и принципе
действия пьезоэлектрических резонаторов, их конструктивных,
электрических и эксплуатационных характеристиках, ¦ да/на их
классификация. Рассмотрено влияние различных внешних механических,
климатических и иных воздействий на характеристики пьезорезо-
наторсш, а также конструктивных и технологических факторов.
Кроме кварцевых резонаторов, которым посвящена большая часть
материала, описаны резонаторы из других пьезоэлектриков,
нашедших практическое применение. Даны рекомендации по применению
пьезоэлектрических резонаторов,
Для инженерно-технических работников.
„ 2302020200-011 ч _г ял пйа
? 61-91 ББК 32.844
046@1)-92
Справочное издание
АНДРОСОВА ВАЛЕНТИНА ГЕОРГИЕВНА, БРОННИКОВА ЕЛЕНА ГЕОРГИЕВНА,
ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ и др.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
Справочник
Заведующий редакцией Ю. ?. ? ы с е в
Редактор издательства Г. Н. Астафуров
Переплет художника К. М. Прасолова
Художественный редактор Н. С. Ш е и н
Технический редактор Г. 3. Кузнецова
Корректор Н. Л. Жукова
ИБ № 2286
Сдано в набор 17.05.9*1 Подписано в печать 22.10.91
Формат 60?907?6 Бумага типографская № 1 Гарнитура литературная
Печать высокая Усл. печ, л. 24,50 Усл. кр.-отт. 24,50 Уч.-изд. л. 38,12
Тираж 8000 экз. Изд. № 22795 Зак. № 45 Цена 8 р.
Издательство «Радио и связь». 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Типография издательства «Радио и связь». 101000 Москва, ул. Кирова, д. 40
ISBN 5-256-00634-7 © Андросова В. Г., Бронникова Е. Г.,
Васильев А. М. и др., 1992

Содержание
Предисловие . . . 8
Введение 10
Термины и определения, сокращения, условные обозначения параметров 15
Раздел 1.
ПЬЕЗОЭФФЕКТ. ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕЗОНАТОРЫ
1.1. Общие сведения 18
1.2. Пьезоэлектрический эффект 18
1.3. Пьезоэлектрические преобразователи 20
1.4. Пьезоэлектрический элемент в электрической цепи 22
1 .5. Принцип действия резонатора 23
1.6. Эквивалентная электрическая схема резонатора ...... 24
1.7. Механические колебания 27
1.8. Эквивалентные механические параметры 31
1.9. Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний 31
1.10. Диапазон частот . 36
1.11. Добротность 37
1.12. Активность резонатора 38
1.13. Емкостное отношение л емкостный коэффициент ·. . . , ' . . 39
1.14. Фактор качества . . . . . ;. , . ' 39
Раздел 2.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР КАК ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
2.1. Характерные особенности 40
2.2. Проводимость и сопротивление пьезорезонатора 41
2.3. Частотные параметры пьезорезонатора 46
2.4. Электрические параметры 47
2.5. Выбор величины допуска на точность настройки резонатора по
частоте 48
2.6. Выбор системы контролируемых параметров пьезоэлектрического
резонатора . 49
2.7. Полная эквивалентная схема двухэлектродного пьезорезонатора .'· : 51
? а з д е л 3.
КЛАССИФИКАЦИЯ, УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ РЕЗОНАТОРОВ
З.1. Признаки классификации 52
3.2. Родовые обозначения кварцевых резонаторов . . . . . . . . 54
3.3. Унификация и стандартизация . . . : .'. 55
? а з д е л 4.
ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЗОНАТОРОВ
4.1. Воздействующие факторы 57
4.2. Влияние температуры . . 59
4.3. Влияние быстрых (изменений температуры на частоту .... 63
4.4. Аномалии частотно-температурных характеристик . ... . 64
4.5. Зависимость сопротивления резонаторов от температуры ... 64
4.6. Температурные характеристики реактивных эквивалентных
электрических параметров .кварцевых резонаторов 66
4.7. Влияние времени (старение) 67
4.8. Влияние влажности 70
4.9. Влияние атмосферного давления 71
4.10. Механические силы и их влияние 72
4.11. Радиационные воздействия на кварцевые резонаторы .... 75
3

Раздел 5.
УСТРОЙСТВО И КОНСТРУКЦИИ РЕЗОНАТОРОВ
'5.1. Основные части резонаторов и особенности их устройства ... 83
5.2. Корпуса .... 84
5.3. Выводы корпусов 94
5.4. Пьезоэлементы 95
5.5. Держатели 96
? а з д е л 6.
ПРОИЗВОДСТВО РЕЗОНАТОРОВ
6.1. Особенности 'производства '. 98
,6.2. Сырье для производства резонаторов 99
6.3. Разделка кристаллов и ориентация заготовок 100
6.4. Шлифовка кварцевых пластин 100
6.5. Очистка и травление кристаллических пластин 101
6.6. Металлизация пьезоэлементов . . . 101
6.7. Монтаж пьезоэлементов 102
6.8. Окончательная настройка частоты 103
6.9. Герметизация и контроль резонаторов 103
? а з д е л 7.
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
7.1. Общие сведения 105
7.2. Основные пьезокерамические материалы ........ 106
7.3. Параметры льезокерамических материалов 107
7.4. Технология производства льезокерамических материалов . . . 108
7.5. Пьезоэлектрические свойства и виды колебаний керамических
элементов . . 112
7.6. Параметры резонаторов ИЗ
f;7. Рекомендации по применению 114
7.8. Возможности улучшения характеристик резонаторов . . . . 115
? а з д е л 8.
РЕЗОНАТОРЫ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ
8Л. Общие сведения . . . . 115
8.2. Параметры резонаторов 120
8.3. Конструкции резонаторов 123
8:4. Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы 125
8.5. Рекомендации по применению . 127
8.6. Возможности улучшения характеристик резонаторов . . . . 128
Раздел 9.
РЕЗОНАТОРЫ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
9.1. Общие сведения 128
9.2. Параметры резонаторов 131
9.3. Конструкции резонаторов 135
9.4. Влияние конструктивных и технологических факторов на качество
резонаторов 137
9.5. Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы 137
9.6. Резонаторы ЖТ 138
9.7. Рекомендации по применению 139
9.8. Возможности улучшения характеристик резонаторов 139
? а з дел 10.
РЕЗОНАТОРЫ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
1-0.1. Общие сведения 140
10.2. Параметры резонаторов 142
10.3. Конструкции резонаторов .... 145
10.4. Рекомендации по применению 147
10.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов . .. . . 147
4
4

РазделП.
РЕЗОНАТОРЫ СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 149
? а з д ел 12.
РЕЗОНАТОРЫ КОНТУРНО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДТ И ЦТ
12.1. Общие сведения 157
12.2. Параметры резонаторов 158
12.3. Конструкции резонаторов 162
12.4. Рекомендации по применению . . 162
12.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов ... . 163
? а з д ел 13.
РЕЗОНАТОРЫ КОСОГО СДВИГА АП И БП
13.1. Общие сведения . . .... . 164
13.2. Особенности колебаний . . . ... . . 164
13.3. Параметры резонаторов АП . .. . . 166
13.4. Конструкции резонаторов . . . 168
13.5. Рекомендации по применению 169
13.6. Возможности улучшения характеристик резонаторов . , . . 169
13.7. Резонаторы БП 170
РазделН.
? РЕЗОНАТОРЫ ТОЛЩИННО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ AT
'"'14.1. Общие сведения 171
^14.2. Параметры резонаторо-в 175
-14.3. Конструкции резонаторов ... . . . ...:.. . 179
14.4. Рекомендации по применению 181
14.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов . s . . 183
? а з дел 15.
РЕЗОНАТОРЫ ТОЛЩИННО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ БТ
15.1. Общие сведения 185
15.2. Пара/метры резонаторов . . . . . 186
15.3. Конструкции резонаторов 189
15.4. Рекомендаций по применению . . . 189
Раздел16.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ ДВУХПОВОРОТНЫХ СРЕЗОВ
16.1. Общие сведения 190.
16.2. Параметры резонаторов 193
16.3. Конструкции резонаторов . . . 199
16.4. Рекомендации по применению 200
16.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов .... 200
? а з д ел 17.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
17.1. Общие сведения 207
17.2. Параметры резонаторов 208
J 7.3. Конструкции резонаторов . . . 214
17.4. Возможности улучшения характеристик резонаторов .... 219
? а з д ел 18.
МИКРОРЕЗОНАТОРЫ
??.1. Общие сведения 219
|8.2. Микрорезонаторы изшбных колебаний 220
\ra МикР0КаМ6РТ0ННые резонаторы . 221
1?·4. Микрорезонаторы продольных колебаний . . . . . . . 222
5

18.5. Микрорез-онаторы крутильных колебаний 223
18.6. Микрорезонаторы контурно-сдвиговых колебаний . . . ¦ . . 225
18.7. Микрорезанаторы толщинно-сдвитовых колебаний 226
18.8. 'Некоторые особенности и перспективы развития технологии микро-
резонаторов 228
18.9. СВЧ-микрорезонаторы 229
? а з д ел 19.
БЕСКОРПУСНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
19.1. Общие сведения 230
19.2. Бескорпусные резонаторы без элементов крепления . . . . 231
19.3. Бескорпусные резонаторы с проволочным креплением . . .Г . 232
19.4. Бескорпусные резонаторы с держателями 234
19.5. Правила обращения с бескорпусными резонаторами .... 235
19.6. Требования к бескорпусньм резонаторам 236
19.7. Интегральные резонаторы 237
Раздел 20.
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С СЕЛЕКЦИЕЙ МОД
ДЛЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
20.1. Общие сведения . . 240
, 20.2. Простейший резонатор с селекцией мод 241
20.3. Практические конструкции резонаторов и их параметры . . . 242
20.4. Основные расчетные соотношения 245
? а з д е л 21.
РЕЗОНАТОРЫ ИЗ «СИЛЬНЫХ» ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ-КРИСТАЛЛОВ
21.1. Общие сведения 248
21.2. Резонаторы из танталата лития (ТЛ-резонаторы) 250
? а з де л 22.
ВОЗДЕЙСТВИЕ УРОВНЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
22.1. Предельно допустимая .мощность . . . . 255
22.2. Зависимость параметров резонаторов от уровня возбуждения . 256
22.3. Резонаторы с аномальными характеристиками . . . . . . 261
22.4. Изменение спектра колебаний в диапазоне мощности .... 262
22.5. Электрическое нагружение и температурно-частотные эффекты . 265
22.6. Долговременная нестабильность частоты 264
? а з д ел 23.
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ
23.1. Пьезорезонатор как объект намерения . 266
23.2. Общие сведения о методах и средствах измерений . . . . 267
^ 23.3. Измерение частоты и сопротивления резонатора . . . . . 271
^ 23.4. Измерение добротности 279
^> 23.5. Измерение динамических индуктивности и емкости 282
23.6. Определение уровня побочных резонансов 283
23.7. Определение временной и температурной нестабильности . . . 286
23.8. Определение влияния электрической, механической и
радиационной нагрузок ..... 287
23.9. Поверка аппаратуры для измерений параметров резонаторов .. . 288
? а з д е л 24.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ В ГЕНЕРАТОРАХ
24.1. Общие сведения . . 291
24.2. Особенности пьезорезонаторов 292
24.3. Генераторы с последовательным и параллельным резонансами 293
6

24.4. Частота возбуждения резонатора в генераторе (рабочая частота) 295
24.5. Признаки и особенности генераторов с последовательным и ларал-
лельным резонанса-ми 296
24.6. Расчет рассеиваемой мощности, измерение исходных данных . . 299
24.7. Соответствие параметров резонатора схеме генератора . 302
24.8. Особенности резонаторов, предназначенных для управляемых по
частоте генераторов . ....... 303
24.9. Проверка генератора на соответствие требованиям, предъявляемым
к резонатору 304
Раздел 25.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
25.1. Общие сведения . 307
25.2. Микрогенераторы 307
25.3. Гибридные пьезоэлектрические, фильтры ..................................................... 314
25.4. Монолитные фильтры ...................................................................................... 315
? аз дел 26.
РЕЗОНАТОРЫ-ТЕРМОСТАТЫ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
НА ИХ ОСНОВЕ .
26.1. Определение и назначение ......···. .321
26 2. Терминология ................................................ 321'
26.3. Основные параметры. Классификация. Стандартизация. Схемные ?
обозначения . . . . *....····' 325
26.4. Основные особенности, проблемы обеспечения теплового режима
РТ. Базовая конструкция · 329
26 5. Равномерность температурного поля в термоетатируемом узле и
температурная стабильность частоты РТ 333
26.6. Тепловые потери и энергопотребление РТ в установившемся режиме 335
26.7. Выход РТ на режим термостатиро,вания после включения . . . 339
26.8. Нестабильность частоты РТ от внешних воздействий и долговре-
метшая нестабильность частоты ····''' л ' ' ' 342
26.9. Влияние внешних факторов на долговременную нестабильность ,
частоты 343
26.10. Габариты РТ 344
26.11. Стойкость РТ к механическим воздействиям · · · 344
26Л2. Основные элементы конструкций и особенности производства 345
26.13. Виды промышленных РТ ..... : 349
26.14. Характеристики позисторов как нагревателей и датчиков темпе-
рлтуры РТ .....·· ··· 349
26.15. Автотермостабилизация (саморегулирование температуры) пози-
сторного нагревателя · 352
26.16. Измерение сопротивлений позисторов 353
26.17. Устройство и тепловой режим стандартизованных РТ с позистор-
ньш нагревателем ····· 354
26.18. Эксплуатационные характеристики стандартизованных РТ с пози-
сторным нагревателем · 356
26.19. Резонатор-термостат с пленочным нагревателем и термодатчиком
на пьезоэлементе · 362
26.20. Общие вопросы построения функционально законченных ПЭ У на
резонаторах-термостатах 364
26 21. Кварцевые генераторы на резонаторах-термостатах . · 365
2622. Технические характеристики основных типов РТ и ПЭУ на их
основе · 370
26.23. Меры предосторожности при обращении с РТ 381
26,24l Рекомендации по применению и заказу изделий · · · · · 381
26.25. Возможности улучшения характеристик резонаторов-термостатов . 382
Список литературы 387
7

Светлой памяти
Аркадия Сергеевича Шеина
— ученого, инженера,
изобретателя в области пьезоэлектричества,
организатора отрасли пъезотехни-
ки в нашей стране посвящается
Предисловие
Выходу в свет настоящего справочника предшествовали выпуски двух
справочников по кварцевым резонаторам. Один издан в США в 1957 г, и не потерял
своей значимости до настоящего времени; если учесть достаточно частые ссыл:
ки на него в современной технической литературе. Другой издан в нашей
стране в 1978 г; [1, 2]. Справочники по резонаторам из разных пьезоэлектриков
еще не издавались. За рубежом часто выпускаются подробные фирменные
каталоги, содержащие описания выпускаемых изделий и полные их
характеристики. Иногда в них включают общие сведения о параметрах резонаторов и
характерные особенности конкретных типов, определяемые срезами пьезоэлемен-
тов, конструкцией и технологией. Выпускаются и краткие каталоги, содержа^
щие перечни^выпускаемых типов, диапазоны частот и краткие сведения о
параметрах. Отечественные предприятия каталоги не выпускают.
За времй, прошедшее после выпуска отечественного справочника по
кварцевым резонаторам, произошли существенные изменения в номенклатуре и
типах выпускаемых кварцевых резонаторов. Многие типы резонаторов устарели,
их характеристики не удовлетворяют современным требованиям, вследствие
чего их применение в новых разработках ограничено. Вместо них разработаны
новые типы кварцевых резонаторов, а также резонаторы из других
пьезоэлектриков (кристаллических и керамических). Пьезоэлектрические резонаторы
являются устройствами, конструкции и технология которых непрерывно изменяются
и совершенствуются. Этот процесс особенно ускорился за последние годы, в
связи с чем необходимость в справочных материалах, отражающих происшедшие
изменения, значительно возросла.
Пьезоэлектрические резонаторы являются типичными компонентами
частного применения, и это обстоятельство определяет затруднения, возникающие
при составлении справочника. Возможен различный подход к написанию
справочника как в части его содержания, так и формы изложения материала.
Настоящий справочник составлен так, что первые его разделы содержат
общие сведения о пьезорезонаторах — их устройстве, принципе действия,
основных параметрах и характеристиках. Далее описываются типичные
конструкции, их влияние на электрические и эксплуатационные характеристики.
Большая часть материала посвящена кварцевым резонаторам, как наиболее
распространенным и широко используемым. Описаны пьезорезонаторы из так
называемых «сильных» пьезоэлектриков — пьезокерамики, кристаллов ниобата
лития и танталата лития, освоенные в опытном и серийном производстве.
Приводятся характеристики новых видов резонаторов — микрорезонаторов,
резонаторов-термостатов, бескорпусных и интегральных резонаторов, а также
устройств, которые называют пьезоэлектронными, подчеркивая тем самым, что они
предназначены для МЭА, а для их производства используются средства
микроэлектроники. Рассмотрены тенденции развития схемотехники
пьезоэлектрической стабилизации частоты и частотной селекции в части ее влияния на
конструктивные и электрические параметры резонаторов.
Как показала практика, потребителям недостаточно иметь только данные,
сведенные в таблицы, как этого иногда достаточно в случае простых
компонентов общего применения, таких как резисторы или конденсаторы.
Потребителям необходимы сведения не только о характеристиках резонаторов, но и об
особенностях их устройства, принципе действия, видах пьезоэлектриков, модах
механических колебаний, срезах кристаллических пластин, эквивалентных
схемах, пределах возможных значений параметров резонатора, взаимодействии резо-
.яатора с внешней электрической цепью и др. Потребителю полезно также иметь
8

представление об особенностях производства резонаторов, о влиянии деталей
конструкции и уровня технологии на их качество и надежность.
В связи с этим один из разделов (разд. 26), касающийся
резонаторов-термостатов — нового класса пьезоэлектронных устройств, с разработкой и
внедрением в производство которых связаны существенные успехи в улучшении
технических и эксплуатационных характеристик прецизионных кварцевых
генераторов, написан более подробно и затрагивает вопросы их проектирования.
Некоторые виды резонаторов освоены только в опытном производстве,
однако наиболее перспективные из них описаны в справочнике с учетом того, что
информация о них будет способствовать более широкому их распространению
и освоению в серийном производстве.
Список литературы, имеющийся в конце справочника, содержит
немногочисленные источники справочного характера по пьезорезонаторам [1, 2, 21],
монографии по пьезоэлектричеству и пьезорезонаторам энциклопедического
характера [4, 5, 16], обзорные статьи по состоянию и тенденции развития
пьезоэлектрической стабилизации и селекции частоты [19, 48]; популярные работы
по теории пьезоэлектричества и резонаторов [3, 31, 34, 45, 49]. Некоторые
книги, вышедшие в 40... 50-х годах, включены как непревзойденные источники,
ставшие классическими, без ссылок на которые не обходится ни одно издание
по кварцевым резонаторам как в нашей стране, так и за рубежом. Более
поздние источники не содержат некоторых сведений, которые имеются в
классических работах. Этим обусловлена необходимость ссылок на классиков.
Кроме указанного основного списка литературы в конце каждого раздела
справочника приводится дополнительный список литературы, имеющий
непосредственное отношение только к данному разделу. Номера источников в этих
списках дополнены номерами соответствующих разделов.
Такое разделение имеющейся информации по пьезоэлектрическим
резонаторам, по нашему мнению, позволит облегчить работу читателей с
дополнительной литературой, рекомендуемой авторами, в том числе с источниками,
ссылки на которые часто повторяются в тексте (стандарты и рекомендации
МЭК, государственные и отраслевые стандарты).
Ссылки на статьи, опубликованные в ежегодниках Симпозиума по
стабилизации частоты (США), даны сокращенно — ASfC с указанием года выпуска.
Предисловие и введение написаны П. Е. Кандыбой и П. Г. Поздняковым.
Разделы 1, 3, 4, 9, И и 1У написаны П. Г. Поздняковым, § 4.11 — К. В. Кире-:
евым. Разделы 5 и 10 написаны П. Г. Поздняковым и В. Н. Христофоровым,
разд. 6 и 7 — П. Е. Кандыбой, разд. 8 — В. Н. Христофоровым, разд. 2 и 24 —
В. А. Ильичевым, разд. 12, 14—17 — А. Н. Дикиджи, разд. 13 — В. Г.
Андросовой, разд. IS — В. В. 1 рузиненко,· разд. 20 — В. Т. Колобковым, разд. 21 —
Ю. А. Кочетковым, разд. 22 и 23 — Б. И. Давыдовым, разд. 25 — А. М.
Васильевым и Е. Г. Бронниковой, разд. 26 — Я. Л. Вороховским.

Введение
Мировая научная общественность недавно отметила 100-летие открытия
французскими учеными братьями Пьером и Жаком Кюри нового физического
явления — пьезоэлектричества. В 1880 г. .они опубликовали статью, в которой
описывалось обнаруженное явление — поляризация некоторых диэлектрических
кристаллов в результате воздействия на них механического давления [В.1].
Пьезоэлектрическим эффектом, т. е. способностью к электрической
поляризации под воздействием механических сил, обладают некоторые
диэлектрические кристаллы с определенной геометрической несимметрией внешней формы^
связанной с наличием полярных направлений или осей. Открытие
пьезоэлектричества братьями Кюри было основано на представлениях о внутреннем
строении кристаллического вещества как об уравновешенной структуре из
разноименных электрических зарядов, не создающей состояния поляризации. По
мнению Кюри, электрическая поляризация кристаллов возникает при их
деформации в направлении полярной оси. Новое явление вызвало интерес у многих
физиков и кристаллографов, которые продолжили его изучение. К 1910 г.
немецким ученым В. Фогтом была разработана феноменологическая теория
пьезоэлектричества, которая используется и в настоящее время.
П. Кюри позже приобрел мировую известность за исследования
радиоактивности и открытия радия. В. своих исследованиях радиоактивности он дал
первый пример практического применения пьезоэлектричества, использовав
пластину кристалла кварца как датчик радиоактивного излучения ([В.1].
Русскими учеными в то время также был внесен вклад в изучение
пьезоэлектричества. Кристаллограф Б. 3. Коленко в 1884 г. опубликовал работу по
исследованию полярного электричества кварца, будущий академик А. Ф.
Иоффе в 1915 г. написал работу об упругих и электрических свойствах кварца, а
чл.-кор. Российской академии наук Б. Б. Голицын в то же время создал и
описал пьезоэлектрический сейсмограф, возможно, первый прибор, основанный
на использовании пьезоэлектричества.
Начало практического использования пьезоэлектричества совпадает по
времени с развитием ламповой радиотехники и связанной с ней электроакустики.
Во время первой мировой войны военное ведомство Франции организовало
исследования, имеющие целью создание устройств для обнаружения подводных
лодок. К этим исследованиям были привлечены ученые, :в том числе физик Поль
Ланжевен и русский политэмигрант К. В. Шиловский. Разработанный ими
прибор был основан на излучении направленного пучка ультразвука и приеме
отраженного от подводного объекта сигнала. Узконаправленный пучок
ультразвука можно реализовать только на высоких частотах порядка десятков
килогерц, и П. Ланжевен (ученик П. Кюри) предложил использовать в качестве
излучателя и приемника ультразвука кварцевые пластины, возбуждаемые
ламповым генератором. Результаты опытов П. Ланжевена послужили основой для
создания ультразвукового эхолота и различных гидролокационных устройств.
Ланжевеном впервые было осуществлено возбуждение пьезоэлектрика
переменным электрическим полем и, что особенно важно, в режиме резонансных
механических колебаний. Им была оценена эффективность резонансного
возбуждения, установлена высокая добротность колебаний кварцевых пластин.
Результаты работы Ланжевена послужили основой для более подробных
исследований в разных странах. В США А. Никольсон, осуществляя
возбуждение кристаллов сегнетовой соли, обладающих сильным пьезоэффектом,
указал на возможности создания таких электроакустических приборов, как
телефон и громкоговоритель, а в 1920 г. проф. Веслейского университета У. Кэди
изобрел кварцевый резонатор, показав возможности использования его как
стабилизатора частоты ламповых генераторов и частотоизбирательного
элемента. В качестве резонатора У. Кэди использовал кварцевую пластину Х-среза„
помещенную между двумя металлическими пластинами. В ней возбуждались
10

механические колебания в направлении длины, что определяло относительно
низкую частоту колебаний резонатора. При включении такого резонатора
между выходом и входом лампового усилителя возникала цепь положительной
обратной связи и в результате возбуждение на частоте собственных колебаний
резонатора, У. Кэди были предложены четырехполюсный резонатор (пьезотран-
сформатор) и схема генератора с таким резонатором, носящая его имя. В
течение многих лет У. Кэди занимался исследованиями в области
пьезоэлектричества и особую известность получил после выхода в свет его фундаментальной
книги, считающейся энциклопедией пьезоэлектричества [4].
В 1923 г. Г. Пирс (США) предложил новую схему кварцевого генератора,
носящую его имя, в которой возбуждались продольные колебания кварцевых
пластин по толщине, что повысило частоты кварцевых генераторов. В конце
20-х годов начали использовать резонаторы У-среза, в которых возбуждались
колебания сдвига по толщине, работавшие более устойчиво, чем резонаторы с
пластинами J-среза. В 20-х годах учеными разных стран была предложена
эквивалентная электрическая схема резонатора, что позволило разработать
основы теории кварцевого генератора. Первыми кварцевую стабилизацию частоты
коротковолновых радиопередатчиков применили радиолюбители в середине 20-х
годов, после чего ее использовали и в радиовещании. Низкая температурная
стабильность частоты кварцевых резонаторов побудила использовать их термо-
статирование и стимулировала дальнейшие работы по улучшению параметров
резонаторов, прежде всего уменьшению их температурной нестабильности
частоты. Эта задача была успешно решена в 30-х годах. ;}
Первый существенный шаг в этом направлении сделал И. Кота (Япония)
в 1932 г. Он предложил использовать для резонаторов пластины, вырезанные
параллельно малому или большому ромбоэдру кристалла кварца, и
резонаторы с такими пластинами получили условные обозначения г и R в соответствии с
обозначениями граней ромбоэдров. Резонаторы R и г имели в несколько раз
меньшее значение ТКЧ по сравнению с резонаторами У-среза. Открытие этих
срезов натолкнуло как самого И. Когу, так и исследователей в других странах
на поиски срезов, обладающих еще более высокой температуркой стабильностью
частоты. В 1934 г. одновременно в трех странах появились публикации об
открытии новых срезов с очень малым значением ТКЧ. Авторы этих публикаций
были И. Кога (Япония), Р. Бехман и Г. Штраубель (Германия), Ф. Лэк,
Г. Уиллард и Т. Файр (США). Новые срезы получили условные обозначения
AT и БТ и широко используются в настоящее время.
Было открыто еще около десятка других срезов с малым значением ТКЧ,
позволивших перекрыть широкий диапазон частот, начиная от звуковых до
СВЧ. В это же время были сделаны другие важные конструктивные и
технологические усовершенствования резонаторов. К их числу относятся создание
герметичных и вакуумных конструкций, усовершенствования крепления пьезоэле-
мента, разработка резонаторов с нанесенными пленочными электродами. В 30-е
годы возникло и промышленное производство резонаторов в виде
специализированных цехов.
В нашей стране колыбелью кварцевой стабилизации является Ленинград.
В 1927 г. там состоялась первая всесоюзная конференция по
пьезоэлектрическим колебаниям и использованию их для стабилизации частоты. Конференция
собрала более 50 специалистов, работавших в этой области в Ленинграде,
Н. Новгороде, Москве и Харькове. На конференции с докладами выступили
известные уже в то время ученые Н. Н. Андреев, Ю. Б. Кобзарев, Г. А.
Остроумов, Н. Д. Папалекси, С. Н. Ржевкин, Д. А. Рожанский, В. ??. Фредерике,
И. Г. Фрейман, С, Э. Хайкин, А. В. Шубников. В указанных городах уже
существовали кварцевые лаборатории и мастерские, в которых изготовлялись и
исследовались кварцевые резонаторы и генераторы. В лаборатории,
руководимой А. В. Шубниковым, были разработаны основы технологии обработки
кварца, изложенные в первой в мире книге по технологии кварцевого производства
[В.2, В.З].
В 1934 г. Т. М. Михайловым был изобретен кварцевый резонатор с
металлизированным пьезоэлементом, имевшим по торцам заострения для зажима в
оригинальном кварцедержателе простой конструкции. Такие резонаторы к
концу 30-х годов были освоены в производстве в Ленинграде, Москве и Горьком,
11

где уже существовали кварцевые цеха. Организаторами отечественного
кварцевого производства были известные специалисты Ф. М. Ильин, Н. Г. Коваленок,
Н. Г. Козулин, П. П. Куровский, П. С. Куканов, А. А. Тюльпанов. В 1932 г.
инж. Я. И. Эфруси изобрел мостовой кварцевый фильтр и опубликовал его-
устройство и теорию. Был опубликован также ряд работ советских ученых ??
теории и расчету кварцевых генераторов, подробно рассмотренные в обзоре
С. И. Евтянова [В.4].
Для изготовления резонаторов пригодны большие однородные кристаллы
природного кварца, лишенные внутренних дефектов и являющиеся редким и·
дорогим минеральным сырьем. Быстро развивающееся производство
резонаторов требовало все большего числа таких кристаллов, поисков их
месторождений и расширения добычи. Для этого в 1937 г. был организован Трест № 13,,
основной задачей которого была добыча кварца, пригодного для производства
резонаторов. Одновременно при этом тресте была создана научно-техническая.
лаборатория по изучению качества кварцевого сырья и рациональному его
использованию. Организатором и научным руководителем этой лаборатории был
чл.-кор. АН СССР А. В. Шубников. В этой лаборатории были разработаны
методы выращивания кристаллов другого пьезоэлектрика — сегнетовой соли,
нашедшего широкое применение в электро- и гидроакустике. Технология
выращивания кристаллов сегнетовой соли были разработаны ?. ?. Шефталем, а
технология пьезоэлементов и конструкции приборов на их основе — инж. А. С.
Шейным. Были начаты работы по искусственному выращиванию кристаллов.
кварца. На базе этой лаборатории в сентябре 1941 г. был организован первый
специализированный завод по выращиванию пьезокристаллов и изготовлению
изделий из них для целей обороны страны [В.5].
В 1941 г. некоторые заводы были эвакуированы на восток и в Сибири*
появились новые кварцевые цеха, а в Средней Азии — специализированный
завод пьезокристаллов. После войны Московский завод был реорганизован в
Центральную научно-исследовательскую лабораторию пьезотехники (ЦНИЛП)*
а в I960 г.—в Научно-исследовательский институт пьезотехники. Для названия
отрасли техники, основанной на использовании пьезоэлектричества, А. С.
Шейным был предложен термин пьезотехника.
В послевоенные годы продолжали бурно развиваться такие отрасли
техники, как радио- и проводная связь, радиолокация, радионавигация. Это
потребовало повышения стабильности частоты и избирательности трактов
радиотехнических систем, а также их надежности. Соответственно повысились
требования к параметрам и характеристикам кварцевых резонаторов. Потребовались
длительные научные исследования, на основе которых возникали новые
конструктивные решения и технологии и решались задачи повышения качества
резонаторов. Резонаторы 50-х годов — это так называемые резонаторы без
зазора (с нанесенными на пьезоэлемент пленочными электродами), с проволочным
креплением пьезоэлемента и герметичным вакуумплотным корпусом,
заполненным инертным газом, или с эвакуированным воздухом. Статистика
свидетельствует, что каждое десятилетие стабильность частоты резонаторов в среднем
повышается на порядок.
В 50-х годах были решены задачи обеспечения производства резонаторов
пьезокристаллами. В качестве заменителей кварца использовались
водорастворимые кристаллы солей виннокаменной кислоты, у которых были обнаружены
срезы с малым значением ТКЧ. В США для производства резонаторов
использовались кристаллы виннокислого этилендиамина, в СССР — кристаллы
виннокислого калия. Эти резонаторы в течение ряда лет выпускались для
аппаратуры дальней проводной связи, что позволило сэкономить большое количество
кристаллов кварца высшего сорта. В середине 50-х годов была, наконец,
решена сложная задача создания промышленного способа выращивания
кристаллов кварца, пригодных для изготовления резонаторов. Это позволило снять
существовавшие ограничения на применение кварцевых резонаторов и
приступить к расширению их производства [В.б].
К середине 50-х годов были разработаны серии новых герметичных и
вакуумных резонаторов, которые и в настоящее время остаются основными
виллами. ¦ Для их серийного производства .были разработаны комплекс специаль*
12

ного оборудования, измерительной и испытательной аппаратуры, а также но-,
вые технологии.
В конце 40-х годов были дбнаружены пьезоэлектрические свойства
поляризованной керамики титаната бария — материала из класса сегнетоэлектриков.
Дальнейшее изучение этого поликристаллического пьезоэлектрика выявило
возможности использования его не только как эффективного'электромеханического
преобразователя, но и как пьезорезонатора. Пьезокерамические резонаторы
вскоре полумили применение в широкополосных фильтрах бытовых
радиоприемников, у. ;¦::':
Новые технологии в кварцевом производстве преследовали цель не
только улучшения тех или иных характеристик резонаторов, но и обеспечения
массового производства и снижения их стоимости. Все более широкое
использование резонаторов в профессиональной и бытовой аппаратуре обеспечило
постоянный рост объема их производства.
Миниатюризация РЭА в 60-х годах повлекла и миниатюризацию резонаторов.
Работы по уменьшению габаритов резонаторов оказались трудоемкими, они
продолжаются и в настоящее время. Это обусловлено тем, что миниатюрные
резонаторы должны иметь не худшие показатели стабильности, чем их
крупногабаритные прототипы, а в ряде случаев и лучшие. Сложности
миниатюризации заключаются в необходимости разработки и освоения новых технологий,
углублении теории резонатора, а также удовлетворении все более жестких
требований к параметрам. Одновременно с миниатюризацией резонаторов
разрабатывались и осваивались в производстве пьезоэлектрические устройства в
виде законченных функциональных блоков — кварцевых генераторов и
фильтров. Если первые такие устройства содержали отдельные компоненты РЭА, то
с появлением микроэлектронных устройств возникли их пьезоэлектрические
аналоги, получившие название пьезоэлектронных устройств (ПЭУ). Термин
пьезоэлектроника возник для того, чтобы подчеркнуть использование
преимущественно методов микроэлектроники при производстве ПЭУ, а также их
назначение для МЭА.
Одновременно усилились работы по исследованию и применению новых
кристаллических пьезоэлектриков. Начиная с 60-х годов нашли практическое
применение кристаллы ниобата и танталата лития — «сильных»
пьезоэлектриков, позволившие реализовать широкополосные резонаторы. При этом у
танталата лития были найдены срезы пьезоэлементов с малым значением ТКЧ.
Обнаружены и исследованы также другие пьезоэлектрики, кристаллы которых
имеют срезы с малым значением ТКЧ, Их практическое использование
связано с уточнением физических свойств, разработкой аффективных способов
промышленного выращивания и обработки, а также повышением качества и
надежности резонаторов. К новым пьезоэлектрикам относятся берлинит (фосфат
алюминия),, лангасит (лантанногалиевый силикат), тетраборат лития.
Более -25 лет ведутся работы по использованию пьезоэлектрических пленок
для создания сложных составных ПЭУ, предназначенных для РЭА
дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Технология таких устройств слож- .
на, и они не нашли еще применения в РЭА.
Большие успехи в повышении частоты резонаторов достигнуты при
использовании так называемых мембранных пьезоэлементов, представляющих
кристаллическое тело в виде наружного относительно толстого кольца и внутренней
части в виде тонкой кристаллической мембраны. Разработка их технологии
осуществлялась около 20 лет и потребовала создания специального оборудования
для ионно-плазменного вытравливания мембраны с контролем частоты в
процессе травления. Существует альтернативный вариант технологии, основанный на
использовании химического травления кварца и требующий высокого качества
кристаллов.
Как свидетельствует мировая статистика, производство резонаторов и ПЭУ
продолжает расти и рост прогнозируется до конца 90-х годов. Отмечается, что
быстрее происходит рост ПЭУ по сравнению с ростом производства
резонаторов, В производстве ПЭУ используется гибридная технология, сходная с
производством гибридных микросхем. Массовое производство современных ПЭУ
требует использования автоматизации сборочных операций и интенсификации
изготовления входящих в них деталей и элементов. Происходит усложнение
13

формы ПЭ в результате интеграции с другими деталями резонатора.
Появились и практически используются интегральные резонаторы, у которых все
элементы крепления ПЭ и сам ПЭ выполнены из целой кристаллической
заготовки. Разработаны и освоены в производстве гибридные резонаторы,
включающие в себя элементы другого функционального назначения. К ним относятся
различного вида резонаторы-термостаты, резонаторы с элементами управления
частотой (варикапами).
Для ПЭУ широко используют бескорпусные резонаторы как новый вид
резонаторов. От внешних воздействий их защищает корпус ПЭУ, в котором они
размещаются вместе с другими элементами и компонентами ПЭУ.
Резонаторы высшей стабильности (прецизионные резонаторы), ранее
считавшиеся уникальными изделиями и изготовлявшиеся специалистами высшей
квалификации, стали обыкновенными компонентами, выпускаемыми серийно и
широко используемыми в современной аппаратуре.
Пьезорезонаторы считают перспективными компонентами, не достигшими·
еще своего полного развития. Области их применения продолжают
расширяться, производство растет и совершенствуется.
Таковы основные этапы развития пьезорезонаторов, пьезоэлектрической
стабилизации и селекции частоты за 70 лет с момента открытия {48, В.7, В.8].
Литература
8.1. Кюри П. Избранные труды.— М.: Наука, 1966. ¦— 399 с.
8.2. Кобзарев Ю. Б. Конференция по пьезоэлектрическим колебаниям//
Телеграфия и телефония без проводов. — 1928.—Т. IX.—¦№ 2 D7). — С. 228—
239.
8.3. Шубников А. В. Руководство к изготовлению пьезоэлектрических
препаратов. — М.: Изд, АН СССР, 1931. —55 с.
8.4. Евтянов С. И. История развития стабилизации частоты кварцем//Меж-
ведомственный тематический сборник. Современные проблемы стабилизации
частоты. — М.: МЭИ, — 1983. — № 8. — С. 3—14.
8.5. Поздняков П. Г. К истории отечественного производства пьезокрис-
таллов в годы войны//Кристаллография. — 1985. — Т. 30. — № 3. — С. 621—624.
8.6. Волкова Н. А. О кварце и других минералах. История института. —
М: Недра.— 1989. —231 с.
8.7. Багаев В. П. Тенденции развития кварцевой стабилизации частоты//
Сборник трудов МЭИ, — 1987. — №> 148. — С. 21—26.
8.8. Кандыба П. Е. Состояние и перспективы развития пьезоэлектроники//
Электронная техника. Сер. 5.— 1987. — Вып. 3 F8). — С. 4—7.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
Термины и определения
Основные термины для пьезоэлектрических резонаторов установлены
стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии
с этим документом определена стандартная отечественная терминология для
основных понятий, касающихся пьезоэлектрических резонаторов .[74]. В
справочнике использована стандартная терминология, имеющаяся в указанных
документах. Понятия, для которых еще нет твердо установленных терминов,
определены терминами, известными из тех или иных источников, на которые
даны соответствующие ссылки.
Пьезоэлектрический резонатор (пьезорезонатор) — компонент
радиоэлектронной аппаратуры. Его основной частью является пьезоэлемент, определяющий
резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты и
имеющий параметры и характеристики, оговоренные в технической
документации.
Многополюсный резонатор — резонатор с числом внешних выводов
больше двух, соединенных с электродами пьезоэлемента и не связанных
электрически между собой.
Многоэлементный пьезорезонатор — пьезоэлектрический резонатор, в
корпусе которого смонтировано несколько пьезоэлементов.
Двухмодовый резонатор — резонатор, пьезоэлемент которого имеет две
рабочие моды колебаний и соответственно две рабочие частоты.
Бескорпусной пьезорезонатор — пьезорезонатор, не имеющий внешней
оболочки (корпуса), конструктивные и электрические параметры которого
нормированы, а методы испытаний и правила обращения указаны в технической
документации. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» синонимами
бескорпусного резонатора не являются.
Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) — пластина, стержень или
тело иной формы из пьезоэлектрика, имеющие определенные размеры и
ориентацию относительно кристаллографических осей или определенное направление
поляризации (для керамики) с электродами.
Пьезоэлектрический вибратор (пьезовибратор) — пьезоэлемент с деталями
крепления или смонтированный с держателем.
Электроды — пленки, наложенные на пьезоэлектрическую пластину, или
проводящие пластины, расположенные вблизи нее, предназначенные для
приложения внешнего электрического напряжения или съема пьезоэлектрических
зарядов. . ' ·
Корпус — оболочка, предохраняющая пьезоэлемент от внешних
механических и климатических воздействий и имеющая выводы для соединения с
внешней электрической цепью.
Держатель — устройство для фиксации положения пьезоэлемента в
корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора.
Отражатель — компактная относительно массивная деталь в виде шайбы,
шарика или тела иной формы, устанавливаемая на проволочных держателях
для предотвращения потерь энергии вследствие распространения по ним
возбужденных ПЭ механических колебаний.
пьезоэлектрическая подложка (пьезоподложка) — пластина из
пьезоэлектрика с пленочными электродами, на которой расположены также элементы
Другого функционального назначения.
Микрорезонатор — сверхминиатюрный резонатор, предназначенный для
использования в наручных электронных часах и МЭА.
15

r: Резонатор-термостат — резонатор, у которого внутри корпуса размещены
нагреватель пьезоэлемента, датчик температуры и другие элементы,
определяющие температурный режим ПЭ.
Интегральный резонатор — резонатор, основные элементы которого (пьезо-
элемент, детали его крепления и держатель) выполнены из одного куска пьезо-
электрика.
Резонатор с зазором — резонатор, пьезоэлемент которого имеет
электроды, расположенные на небольшом расстоянии от поверхности последнего.
Полюс резонатора — внешний вывод от электрода ПЭ для включения во
внешнюю цепь. .
Другие термины и определения приведены в соответствующих разделах
справочника.
Сокращения
В тексте справочника вместо часто повторяющихся и громоздких терминов
использованы сокращенные, укороченные термины и аббревиатуры. Например,
пьезоэлектрический резонатор сокращенно называется пьезорезонатор или ре-
зонатор, динамические или эквивалентные параметры пьезоэлектрического
резонатора — динамическая емкость, динамическая индуктивность и
динамическое сопротивление — называются соответственно емкость, индуктивность и
сопротивление резонатора. Резонаторы из разных пьезоэлектриков
описываются словом, составленным из аббревиатуры, обозначающей соответствующий
пьезоэлектрик и соединенной дефисом со словом резонатор. Например,
резонатор из кристалла виннокислого калия обозначается КВ-резонатор,
резонатор из кристалла танталата лития — ТЛ-резонатор и т. п. Относительная
нестабильность частоты, а в тексте именно о ней идет речь, сокращенно
называется нестабильностью частоты. В некоторых разделах, содержащих
характерные для них термины, использованы аббревиатуры и сокращения, перечень
которых помещен в начале соответствующего раздела, или даны пояснения в
тексте.
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БР — бескорпусный резонатор
ДНЧ — долговременная нестабильность частоты (частотное старение)
КГ — кварцевый генератор
КНЧ — кратковременная нестабильность частоты
КР — кварцевый резонатор
КФ — кварцевый фильтр
ЛГС — лантанно-галлиевый силикат (лангасит)
МФ — монолитный фильтр
МЭА — микроэлектронная аппаратура
НЛ — ниобат лития
ОГ — опорный генератор
ПГ — пьезоэлектрический генератор
ПКР — пьезокерамический резонатор
ПКФ — пьезокерамический фильтр
ПР — пьезоэлектрический резонатор
ПФ — пьезоэлектрический фильтр
ПЭ — пьезоэлемент
ПЭУ — пьезоэлектронное устройство
РТ — резонатор-термостат
РЭА — радиоэлектронная аппаратура
ТБЛ — тетраборат лития
ТДКЧ —термодинамический коэффициент частоты
ТКС — температурный коэффициент сопротивления
ТКЧ — температурный коэффициент частоты
ТКЧср — температурный коэффициент частоты средний
ТККГ — термокомпенсированный кварцевый генератор
ТНЧ — температурная нестабильность частоты
ТСКГ — термостатированный кварцевый генератор
№

УНКГ — управляемый напряжением (по частоте) кварцевый генератор
ТХС — температурная характеристика сопротивления
ЧВХ— частотно-временная характеристика (характеристика старения) ···;¦
С'КЧ — силовой коэффициент частоты
ЧСХ — частотно-силовая характеристика
ЭМС — электромеханическая связь
Условные обозначения параметров
аи ?,2, &г — температурные коэффициенты частоты пьезорезонатора
первого, второго и третьего порядков соответственно
Ь — ширина пьезоэлемента
bf — размер, определяющий частоту пьезоэлемента
С — емкость ,
С ? — динамическая емкость пьезорезонатора
Со — параллельная емкость пьезорезонатора
d — пьезоэлектрический модуль
? — напряженность электрического поля
F — механическая сила
t — частота
fi, /2 — частоты последовательного и параллельного резонансов
пьезорезонатора
/г, fa — частоты резонанса и антирезонанса пьезорезонатора
/ — ток
1р — ток через резонатор
Кг — частотный коэффициент
Kl — коэффициент индуктивности
k — коэффициент электромеханической связи
L\ — индуктивность резонатора
I — длина пьезоэлемента
? — фактор качества резонатора
? — порядок колебаний пьезоэлемента
? — мощность ¦-.:(¦¦;
Рр — мощность, рассеиваемая резонатором
Q —добротность пьезорезонатора
Ri — динамическое сопротивление пьезорезонатора ·¦ '-ь
Ri3 — эквивалентное пос-едозательное сопротивление резонатора V
R25 — эквивалентное параллельное сопротивление резонатора - jt..¦¦¦:¦.,..,i-j ¦:.
г — деформация, емкостный коэффициент
s — толщина пьезоэлемента
? — температура
То — температура нулевого значения ТКЧ (температура экстремума ТЧХ)
/ — время, механическое напряжение
U — электрическое напряжение ? ·
W — энергия
?, ?, ? — кристаллофизические оси кристалла
?, ?, ? — углы поворотов, определяющие ориентацию пьезоэлемента
относительно кристаллофизических осей кристалла
а/, <х0, а:, ас — температурные коэффициенты частоты, плотности,
линейного расширения и жесткости пьезоэлемента соответственно
? — плотность
? — круговая частота
Условные обозначения, используемые только в одном разделе, приводятся
в тексте или в отдельном списке условных обозначений данного раздела.
в

РАЗДЕЛ 1.
ПЬЕЗОЭФФЕКТ. ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕЗОНАТОРЫ
1.1. Общие сведения
Пьезоэлектрические резонаторы (ПР) являются пассивными компонентами
радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и предназначены для использования в
аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний
определенной частоты или полосы частот.
В широкой области частот сопротивление ПР имеет емкостный характер и
только на некоторых частотах имеет резко выраженный резонанс, что
определяет название компонента. Термин «пьезоэлектрический» показывает, что
действие компонента основано на использовании пьезоэлектрических свойств
материала, из которого изготовлен пьезоэлемент — основная деталь резонатора.
Иногда ПР определяют как прибор, представляющий одну или несколько
электромеханических систем пьезоэлектрического типа [74]. Такое определение ПР
слишком общее и может быть распространено на большинстве
пьезоэлектрических приборов являющихся электромеханическими преобразователями, например
телефон, микрофон, звукосниматель и др. Пьезоэлектрические резонаторы
отличаются от указанных выше пьезоэлектрических приборов, являющихся
электромеханическими преобразователями и имеющих соответственно электрический
и механический вход и выход, тем, что имеют только электрические входы и
выходы, т. е. рассматриваются как электрические двухполюсники или
многополюсники. Для потребителей резонаторов механическая сущность происходящих
в них явлений скрыта и может, казалось бы, не рассматриваться.
Основным электрическим параметром ПР является частота его резонанса,
жестко фиксированная. Каких-либо устройств для ее изменения ПР обычно
не имеет.
Избирательный, резонансный характер сопротивления ПР определяет
области их применения — цепи частотной селекции различных радиотехнических
устройств, преимущественно генераторов электрических колебаний высокой
стабильности частоты и частотных фильтров большой избирательности.
1,2, Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в
анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ,
обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом
могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так
называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также
некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой
(текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики,
обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектрыками.
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на
пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические
напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую
поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных
электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил
на противоположное становятся противоположными направление поляризации
и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект
обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл,
электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические
напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на
противоположное соответственно изменяются на противоположное направления на-
18

a)
0
e)
Рис. 1.1. Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэф-
фектов. Стрелками F и ? изображены внешние воздействия — механическая
сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны
контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями — контуры
деформации пьезоэлектрика {для наглядности во много раз увеличены); ? —
вектор поляризации
пряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэф-
фекта. На рис. hi схематично изображены явления, характерные для прямого
и обратного пьезоэффектов.
В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно
используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому
явлению, характерному для всех диэлектриков, — деформации их под
действием электрического поля. Электрострикция — четный эффект, означающий, что
деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина
пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок
деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте
(примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте,
но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция — эффект
необратимый.
Прямой и обратный пьезоэффекты линейны и описываются линейными
зависимостями, связывающими электрическую поляризацию ? с механическим
напряжением ?:
P=dt. A.1)
Зависимость A.1) называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент
пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем),
и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается
зависимостью
r = dE, A.2)
где r — деформация; ? — напряженность электрического поля. Пьезомодуль
d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.
Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения
качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности
пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено
анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от
величины механического или электрического воздействия, но и их характера
и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла.
Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и
касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен
нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых
зависит от симметрии кристалла. Более подробные сведения о пьезоэффекте
можно найти в [3—5, 8, 30]. Направления поляризации может совпадать с
направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол.
При совпадении направлений поляризации и механического напряжения
пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном
расположении — поперечным. За направление касательных напряжений принимают нор-
19

Рис. 1.2. Схематичные изображения,
поясняющие продольный (?) и поперечный (б)
пьезоэффекты
Рис. 1.3. Пьезоэлектрический
трансформатор
маль к плоскости, в которой действуют напряжения. На рис. 1.2 схематично
показано различие между продольным и поперечным пьезоэффектами.
Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта,
весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина
толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на
2,3· Ю- мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков
объясняется их очень высокой жесткостью.
1.3. Пьезоэлектрические преобразователи
Пьезозлектрики являются обратимыми электромеханическими
преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую·
и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи,
основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют
преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход.
Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют
преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические
выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на
использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект
используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил,
перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный
эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей,
ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.
Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические
преобразователи — пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформа-
торы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рис. 1.3,
поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в
виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.
Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и
обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным
электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта
вызывает деформацию всего объема пьезоэлектрика и на выходных электродах
возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого
пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование
энергии — электрической в механическую, а затем механической в
электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют
для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров
электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента
трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном
режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента
трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в
высоковольтных источниках вторичного электропитания. Сведения о таких устройствах
содержатся в [23, 1.1].
Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для
двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии. * ¦ ; л .?¦,..;¦ ,,,
0

Рис. 1.4 Пьезоэлемент:
1 — пластина из пьезоэлек-
трика; 2 — электроды из
проводящего материала,
наложенные на грани
пластины
Пьезоэлемент (ПЭ) —тело из пьезоэлектри-
ка определенных размеров, геометрической
формы и ориентации относительно основных
кристаллографических осей (или направления
поляризации в случае пьезокерамики), имеющее
проводящие обкладки (электроды) (рис. 1.4). Таким
образом, пьезоэлемент представляет собой
электрический конденсатор с твердым
(кристаллическим или керамическим) диэлектриком.
Особенностью такого конденсатора является наличие
пьезоэлектрических свойств у диэлектрика,
заполняющего пространство между электродами. Ниже
будет показано, какое значение имеет наличие
пьезоэффекта и каким образом он оказывает
влияние на электрические и механические
характеристики пьезоэлемента. Если ПЭ используется
как электромеханический преобразователь, то его
ориентацию выбирают исходя из требований
достижения наибольшего эффекта. Внешние силы
(как механические, так и электрические),
воздействующие на ПЭ, могут быть как
распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные
силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для
более эффективной поляризации объема пьезоэлектрика используют электроды,
покрывающие всю площадь граней ПЭ, а для создания равномерна
распределенного механического напряжения — накладки из упругогэ материала, хорошо
прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние
сосредоточенные силы в распределенные.
Внешняя сила вызывает деформацию ПЭ, его поляризацию и возникновение
на электродах противоположных электрических зарядов. Величина
электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена
соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам ПЭ.
Внешняя сила сообщает ПЭ энергию в виде упругой деформации, которая
может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и
жесткость ПЭ. Одновременно с деформацией ПЭ на его электродах возникает
электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой ПЭ внешней
силой, оказывается электрической и ее величина может быть рассчитана, если
известны электрическое напряжение на электродах и емкость ПЭ.
Внешняя механическая сила, воздействующая на ПЭ, сообщает последнему
энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда емкости ПЭ.
Если обозначить энергию упругой деформации ПЭ через IFM, а электрическую
энергию заряда его емкости через W3, то полная энергия Wo, сообщенная ПЭ,
будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом
возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в
том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое
напряжение создает (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические
напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в
увеличении жесткости ПЭ. Если электрическое напряжение, возникающее
вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды ПЭ, то
обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет; следовательно,
должно произойти уменьшение жесткости ПЭ.
Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного
пьезоэффекта, т. е. воздействия на ПЭ внешней электрической силы. При этом
внешний источник электрической энергии сообщает ПЭ энергию в виде энергии
заряда емкости ПЭ и механической энергии его упругой деформации. Здесь
также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации
жестким зажатием ПЭ, то можно обнаружить изменение его емкости. Этот факт
легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц,
2!

изменение емкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти,
приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории
пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от
электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят
от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по
определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими
свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала
невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с
указанием граничных механических и электрических условий.
Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент k,
называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый
отношением &= WjWo= WJWq, где Wo — вся приложенная к ПЭ энергия, а
W3 и WM — преобразованная (электрическая и механическая) энергия.
Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков,
пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут суще-
венно различаться. Этот коэффициент различен для статического и
динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида
и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули,
зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических
осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику
резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент
ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование
энергии пьезоэлектрическим элементом не можт быть полным, поэтому
коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков,
к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких
процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезо-
керамика, он может достигать 50... 90%.
1.4. Пьезоэлектрический элемент в электрической цепи
Включенный в электрическую цепь переменного тока, ПЭ представляет для
нее нагрузку, подобную обычному конденсатору. От конденсатора с твердым
диэлектриком ПЭ отличается тем, что диэлектрик совершает механические
колебания с частотой электрического напряжения.
Рассмотрим более подробно явления при включении ПЭ в цепь источника
электрического напряжения, например промышленной частоты. В течение
первой четверти периода напряжения, когда оно возрастает от нуля до
максимального значения, происходит заряд емкости и механическая деформация ПЭ, а
следовательно, накопление им энергии в виде энергии заряда емкости ПЭ и
упругой энергии деформации. В момент, когда внешнее напряжение достигает
максимума, общая накопленная ПЭ энергия также максимальна. Во вторую
четверть периода, когда внешнее напряжение уменьшается от максимального
значения до нуля, ПЭ отдает во внешнюю цепь энергию, накопленную им за
первую четверть периода. Внешне это ничем не отличается от обычной
картины прохождения электрического тока через конденсатор. В следующий
полупериод картина повторяется с той разницей, что ток в цепи протекает в
противоположном направлении. Если пьезоэлектрик не имеет электрических
потерь и механически свободен, т. е. не нагружен и не совершает механической
работы, то ПЭ ведет себя в электрической цепи как конденсатор.
Механическая нагрузка отражается на электрическом режиме. Если ПЭ совершает какую-
либо работу, например излучает механические колебания в окружающую
среду, то это находит отражение в изменении фазы электрического тока и
появлении активной составляющей тока. Если ПЭ лишить возможности совершать
механические колебания, например, жестко зажав его, то это обстоятельство
не может не отразиться на электрическом режиме. Поскольку в этом случае
ПЭ лишен возможности преобразовывать электрическую энергию в
механическую, следует сделать вывод об уменьшении тока в цепи ПЭ по сравнению со
•случаем, когда последний свободно совершает колебания. Иными словами,
сопротивление зажатого ПЭ должно быть больше свободного в результате
уменьшения его емкости. Это явление легко обнаруживается у ПЭ из «сильного»
пьезоэлектрика с большим коэффициентом ЭМС.
22

Емкостный ток, протекающий через ПЭ, можно разделить на две с
ляющие: одну, обусловленную диэлектрическими свойствами зажатого
электрика, и другую, определяющуюся его пьезоэлектрическими свойсть
называемую поэтому пьезотоком. Пьезоток пропорционален величине меха?
ческой деформации ПЭ.
1.5. Принцип действия резонатора
Опыт показывает, что проводимость ПЭ в цепи переменного тока, частота
которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты
и линейно зависит от последней, т. е. имеет емкостный характер. Однако
закономерный емкостный характер проводимости нарушается на некоторых
частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует
ее резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, ее
характер изменяется — она становится активной. Активный характер
проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке
между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет
индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный
характер (рис. 1.5).
Резонансные явления в электрической цепи ПЭ обусловлены резонансамис
его механических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле
наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к~
частоте его собственных колебаний. Любой механический элемент
характеризуется массой, упругостью и показателем, характеризующим необратимые
энергетические потери, например трением или излучением колебаний во внешнюю*
среду. Известно, что механический элемент оказывает сопротивление
воздействию внешней силы и в нем возникают реактивные силы (силы
противодействия), обусловленные массой, упругостью, трением. Современная механика
широко использует понятие механического сопротивления для решения различных
механических задач, преимущественно касающихся колебаний реальных систем.
Каждый механический элемент (масса, упругость, трение) оказывает
противодействие (реакцию) воздействующей на него силе, поэтому колебательная:
скорость их движения зависит не только от величины силы, но и от реакции
механического элемента. Для твердых тел механическое сопротивление какого-
либо элемента определяется как отношение силы к колебательной скорости.
Поскольку реакции массы, упругости и трения при механических колебаниях
имеют различный характер, механическое сопротивление имеет комплексный
характер. В случае внешней периодической силы механическое сопротивление,
определяемое массой, возрастает с частотой и равно произведению массы на
круговую частоту. Механическое сопротивление, определяемое упругостью, на-
оборот, обратно пропорционально круговой частоте и гибкости элемента. На
низких частотах реакция массы элемента незначительна и может не
приниматься в расчет, а реакция определяется его упругостью. С ростом частоты
реакция упругости уменьшается, а реакция массы возрастает и, наконец, наступает
момент, когда на некоторой частоте механические сопротивления массы и
упругости оказываются равны и компенсируют друг друга. Формально компенсация
объясняется различием знаков этих сопротивлений. Физически же компенсация,'
Рис. 1.5. Полная проводимость ПЭ
(Y) в широком интервале частот f.
В точках ? (резонанс) и Л
(антирезонанс) проводимость имеет
активный характер, между этими
точками — индуктивный, а на частотах
ниже точки ? и выше точки А —
емкостный
f
2?

объясняется тем, что на низких частотах внешняя сила преодолевает; только
упругие силы и смещения совпадают по фазе с внешней силой. Когда же
частота внешней силы велика, ей приходится преодолевать преимущественно
инерцию массы, сообщая последней, ускорение. При. этом фаза ускорения совпадает,
с фазой внешней силы, фаза же смещений оказывается противоположной, фазе
внешней силы (ускорение является второй производной смещений по времени).
Следовательно, направления реакций массы и упругости противоположны.
Известно, что добротность Q механических колебательных систем
существенно больше, чем электрических колебательных контуров, и характеризуется
величинами от тысяч до сотен тысяч. Поэтому амплитуды механических
колебаний ПЭ при механическом резонансе в Q раз больше амплитуды его
колебаний вне области резонанса. Электрические величины, характеризующие
колебания ПЭ, например электрический ток, связаны прямой зависимостью с
механическими напряжениями и деформациями. В момент механического резонанса
соответственно возрастает ток через ПЭ и частотная характеристика тока
приобретает резонансный характер, точно соответствующий, характеристике
механических резонансных колебаний. Такова, в общем, картина резонансных
явлений, наблюдаемых в пьезоэлектрическом резонаторе, объясняющая
возникновение резонанса в электрической цепи.
Резонансные явления в электрической цепи резонатора имеют место для
тех видов механических колебаний, которые возбуждаются пьезоэлектрически.
Если частота внешнего электрического напряжения совпадает с частотой
собственных механических колебаний, которые пьезоэлектрически не
возбуждаются, то резонанса в электрической цепи наблюдаться не будет или он будет
выражен очень слабо и обусловлен наличием механической связи с колебанием,
возбуждаемым пьезоэлектрически. Однако при близости такого резонанса к
частоте резонанса, возбуждаемого пьезоэлектрически, связь возрастает и
побочный резонанс оказывается достаточно интенсивным.
Если бы потери механического или электрического происхождения в
резонаторе отсутствовали, то и механические напряжения в момент резонанса
достигли бы бесконечно большого значения и резонатор был бы разрушен. Однако
реально механические и электрические потери всегда существуют и такого
явления обычно не наблюдается. Ток в цепи резонатора при резонансе всегда
имеет конечное значение и активный характер, определяемый наличием потерь.
В большинстве случаев ПЭ имеют только два электрода и резонаторы с
такими ПЭ являются электрическими двухполюсниками. Но в ряде случаев в
резонаторах используют ПЭ с большим числом электродов, имеющих
отдельные выводы, например с четырьмя электродами, как показано на рис. 1.3.
"Такие резонаторы с многоэлектродными ПЭ следует рассматривать как
электрические многополюсники. Резонаторы с четырехэлектродными ПЭ достаточно
часто используют в генераторах и фильтрах, так как они позволяют заменить
два резонатора на одну частоту одним четырехполюсным, устранить
нежелательные кондуктивные связи, использовать сдвиг фаз на 180° между двумя
парами выводов, использовать трансформацию напряжения и преобразование
сопротивления [20].
1.6. Эквивалентная электрическая схема резонатора
Для описания характеристик электрических длинных линий и цепей с
распределенными параметрами широко используют эквивалентные электрические
схемы, составленные из элементов с сосредоточенными параметрами.
Целесообразно и для резонаторов использовать такие эквивалентные схемы, учитывая,
что ПЭ, как правило, представляет механическую колебательную систему с
распределенными параметрами — массой, упругостью и параметром,
определяющим потери, например трением или акустическим излучением.
В области частот, близких к ре.онансу, характер изменения проводимости
пье:о<ре:онатора ока^ывгется сходным с проводимостью электрического
последовательного колебательного контура, шунтированного конденсатором. Это дает
основание испольговать для описания проводимости или, сопротивления в
области частот, близких к резонансу, эквивалентную электрическую схему (схему
24

Рис. 1.6'.'. Эквивалентная электрическая схема
пьезоэлектрического резонатора:
Си Lu i2r—динамические С0 — параллельная емкость;
электрические параметры (емкость, индуктивность и
. сопротивление)
замещения), составленную из элементов с сосредоточенными параметрами
(индуктивности, емкостей и сопротивления), значения которых постоянны и не
^завмсят.от амплитуды колебаний и частоты. Такая эквивалентная схема в виде
колебательного контура изображена на рис. 1.6; ей соответствуют две
резонансные частоты /Р и /а, на которых сопротивление резонатора имеет
активный характер. Первый резонанс на более низкой частоте характериоуется
низким сопротивлением, второй ¦— на более высокой частоте имеет высокое
сопротивление. Низший резонанс эквивалентной схемы обусловлен резонансом
напряжений (последовательным резонансом) ветви, состоящей из
последовательного соединения индуктивности Lu емкости G и сопротивления R{, Эту ветвь
называют динамической или пьезоэлектрической. Ее элементы физически не
существуют, а их параметры могут 'быть определены только в условиях
резонансного возбуждения. Второй резонанс на несколько более высокой частоте —
резонанс токов или параллельный резонанс, возникающий в параллельном
контуре, одна ветвь которого содержит емкость Со, а другая —
последовательное соединение элементов It, Ci и Ru Этог резонанс характеризуется высоким
сопротивлением. Элементы эквивалентной электрической схемы называют
эквивалентными электрическими или динамическими параметрами резонатора. Это
динамическая (эквивалентная) индуктивность Li, динамическая (эквивалентная)
емкость Си динамическое (эквивалентное) сопротивление Ri и параллельная
емкость С0. ,
Реактивные динамические параметры Lt и Ci определяются упругими,
диэлектрическими и пьезоэлектрическими коэффициентами, а также плотностью
пьезоэлектрика. Значения этих параметров существенно зависят от среза
(ориентации) пьезоэлемента, вида и частоты возбуждаемых механических колебаний,
размеров ПЭ и электродов. Динамическое сопротивление зависит от
внутреннего трения и источников других механических потерь. Потери электрического
происхождения в ПР обычно малы и не принимаются во внимание. Только
для некоторых видов кристаллов и пьезокерамики электрические потери заметны,
и их следует учитывать.
Динамическое сопротивление может быть измерено непосредственно,
например, с помощью мостового измерителя полных сопротивлений. Динамические
индуктивность и емкость могут быть измерены только косвенными методами.
Из четырех эквивалентных параметров только параллельная емкость имеет
конкретное физическое воплощение, ее значение определяется межэлектродной
емкостью пьезоэлектрика, емкостями корпуса и монтажа. Она может быть
непосредственно измерена с некоторым приближением известными, методами.
В случае «сильных» пьезоэлектриков, как уже указывалось, емкость Со заметно
зависит от частоты, на частотах ниже резонанса она больше, а на частотах
выше резонанса — меньше. Измерение параллельной емкости не может быть
осуществлено на резонансной частоте. Ее измеряют на частотах, достаточно
удаленных от резонансной. Для «сильных» пьезоэлектриков емкость Со
измеряют на частоте выше резонанса, т. е. в условиях частично или полностью
зажатого ПЭ. Параллельная емкость включает в себя емкость ПЭ как
конденсатора, емкости корпуса и держателя и емкость монтажа. Ранее
параллельную емкость ошибочно называли статической, полагая ее не зависящей
от частоты. Если последнее допустимо считать для «слабых» пьезоэлектриков,
таких как кварц, то для резонаторов из «сильных» пьезоэлектриков (пьезо-
керамика5 танталат лития и др.) зависимость емкости С0 от частоты следует
25

учитывать. Поэтому МЭК в своих стандартах [50, 54] отказался от термина
«статическая емкость» ,и заменил его более точным термином «параллельная
емкость». В дальнейшем будет использоваться только последний термин.
Эквивалентная схема на рис. 1.6 называется простой; она удовлетворительно
описывает частотную зависимость полного сопротивления резонаторов вблизи
резонанса, а разработчиков аппаратуры в большинстве случаев удовлетворяет
знание значений ее эквивалентных параметров.
В некоторых случаях эквивалентную схему приходится усложнять, вводя
в нее параметры других элементов, например индуктивность держателя и
выводов, емкости между корпусом и ПЭ и др. Такие усложненные схемы
рассматриваются в следующем разделе.
Пьезорсзонаторы обычно имеют несколько резонансов, обусловленных
колебаниями разных видов или обертонами какого-либо вида колебаний. В этом
случае эквивалентная схема, отражающая наличие нескольких резонансов,
выглядит в виде параллельного соединения ряда динамических ветвей,
шунтированного общей параллельной емкостью (рис. 1.7). Каждая динамическая
ветвь имеет значения параметров, соответствующие каждому резонансу,
рассматриваемому отдельно от остальных. Следует иметь в виду, что
эквивалентная схема удовлетворительно описывает резонансную характеристику только
в случаях, когда вблизи нет побочных резонансов, расположенных настолько
близко но частоте, что обнаруживается заметная связь с основным резонансом.
Четырехполюсные пьезорезонаторы достаточно широко применяются в пьезо-
электрических фильтрах и значительно реже в генераторах. Для разработчиков
аппаратуры при расчетах и проектировании необходимо иметь представление
?? эквивалентной схеме многополюсных резонаторов и ее элементах, т. е.
параметрах эквивалентной схемы. Наиболее часто применяются
четырехполюсные резонаторы с разделенными электродами, например низкочастотные
резонаторы продольных колебаний, используемые в фильтрах [20]. Для
резонаторов этого типа в 1[1.2] рассматривается эквивалентная схема, представленная
на рис. 1.8. Для случая, когда в результате деления образуются две пары
электродов неравной площади, значения параметров эквивалентной схемы
находятся по формулам [1.2]
?1Г=М1+п); Сп(\ + п); Rxl - R, A + п);
;,:^2-М1 + 1/я); Ci3 = Ci(l + lM); R12(i+l/n);
С01=С0A+п); См = С0A + 1/л).
В этих формулах через Lif Ci, Ri, CQ обозначены параметры эквивалентной
схемы двухполюсного резонатора, образующегося при попарном соединении
полюсов 1-то с 3-м и 2^го с 4-м. Эквивалентные параметры схемы левой части
имеют индексы 11, а правой — 12. Эквивалентная схема содержит идеальный
трансформатор с коэффициентом трансформации п. При симметричном делении
Рис. 1.7. Эквивалентная
электрическая схема
пьезоэлектрического резонатора,
отражающая наличие нескольким
резонансов на различных
частотах
Рис. 1.8. Эквивалентная электрическая
схема четырехполюсного резонатора
26

электродов, когда их площади равны, n—i. Трехполюсная схема резонатора
получается соединением полюсов 2нго и 4-го.
Если сам пьезоэлектрик обладает проводимостью постоянному току или
резонатор имеет плохую изоляцию корпуса, то эквивалентную схему на рис. 1.6
дополняют так называемым параллельным сопротивлением /?о, включенным
параллельно эквивалентному контуру. Проводимость постоянному току
наблюдается у некоторых видов пьезокерамики. Проводимость из-за плохой -изоляции
корпуса наблюдается у загрязненных, поврежденных, негерметичных или
заполненных сырым воздухом корпусов резонаторов, возрастая в условиях
повышенной влажности. Проводимость постоянному току может возникать в
кристаллах, например в кварце, при воздействии радиации и существовать
некоторое время после ее воздействия. В этих случаях эквивалентную схему следует
дополнить 'параллельным сопротивлением Но.
1.7. Механические колебания
Потребителей интересуют главным образом электрические параметры и
характеристики резонаторов. Внутренние явления, в том числе и 'механические
колебания ПЭ, потребителей обычно мало интересуют. Однако основные
электрические и эксплуатационные характеристики резонаторов во многом
определяются особенностями механических колебаний ПЭ. В резонаторах
используется большое разнообразие механических колебаний, и, поскольку
характеристики пьезорезонаторов с колебаниями определенного вида во многом
сходны между собой, резонаторы принято классифицировать по видам
механических колебаний ПЭ. Кроме того, частота и другие параметры регонаторов
небезразличны к разного рода внешним механическим воздействиям, и влияние
последних на характеристики резонатора существенно зависят от вида
механических колебаний ПЭ.
Для описания особенностей, разнообразия механических колебаний упругих
твердых тел (в том числе и пьег.оэлементов) в научной и технической
литературе используется большое число терминов, некоторые из которых являются
синонимами, другие обозначают различные характеристики. В настоящей книге
предпринята попытка ввести некоторое единообразие в эту терминологию,
позволяющее более четко различать и классифицировать характеристики
механических колебаний. Рассмотрим кратко состоящие это'го вопроса и уточним
определения принятым терминам. В литературе, описывающей механические
колебания упругих твердых тел (в том числе и пьезоэлементов), используется
ряд терминов; тип, вид, класс, порядок колебаний, обертон, гармоника, мода,
форма колебаний и некоторые другие. Единообразия как в терминах, так и их
определениях нет. Наблюдается различие в использовании тех или иных
терминов в физической и технической литературе.
Термины, тип, вид и класс колебаний используются в разных источниках,
выражая одинаковое понятие; их следует рассматривать как синонимы. В
отечественной литературе чаще используется термин «вид колебаний», который
принят и в настоящем справочнике. Термин «вид колебаний» характеризует
бегущую и стоячую упругие волны в твердом теле видом распространяющейся
в ней деформации.
Наряду с понятием и термином «вид колебаний» в литературе
употребляется понятие и термин «мода колебаний». Понятие «вид колебаний»
одинаково характеризует как бегущие, так и стоячие волны. Понятие «мода
колебаний» является характеристикой только стоячих волн, определяющей
пространственное распределение различных факторов, например, амплитуд,
направлений смещений, формы, числа и расположения узловых линий или пучностей и др.
Собственные колебания какого-либо вида и их частоты обычно образуют
ряд, который характеризуют порядком колебаний. Колебание самой низшей
частоты этого ряда называют колебанием первого порядка или основным.
Колебания более высоких частот по мере их возрастания называют колебаниями
второго, третьего и других порядков или обертонами. При этом порядковый
номер обертона, естественно, оказывается на единицу меньше числа,
обозначающего порядок колебаний. Эта терминология является общепринятой в фи-
27

• зичеекой литературе. Для некоторых видов колебаний, например продольных,
крутильных, сдвиговых, характерны так называемые гармонические обертоны,
частоты которых почти кратны частоте основного колебания, но не находятся
в точно кратных гармонических отношениях подобно гармоникам
электрического тока. Обертоны собственных колебаний являются точно гармоническими
только для некоторых простых теоретических моделей. Обертоны реальных
твердых тел только приближенно можно считать гармоническими. Часто
отклонения от гармонических отношений могут быть существенными, что следует
всегда принимать во внимание.
Кроме гармонических обертонов, характерных для колебательных систем,
характеризующихся одномерными условиями распространения упругих волн, в
пластинах с толщи иными колебаниями наблюдаются интенсивные резонансы
на частотах, незначительно отличающихся от частоты основного, низшего по
частоте колебания. Эти колебания называют ангармоническими обертонами;
они обусловлены условиями двухмерного распространения упругих волн и их
интерференцией в плоскости пластины. При этом возникают области
противофазных колебаний, разделенные узловыми линиями, аналогичными узловым
линиям, образующимся при колебаниях изотропных пластин. Стоячие волны
возникают не только в результате распространения упругих волн в
направлении толщины, но и в результате их распространения в плоскости пластины
и отражений от различных границ (краев пластины, краев электродов,
элементов крепления и т. п.). Подробнее этот вопрос рассмотрен ниже при описании
высокочастотных резонаторов. Образующиеся при этом узловые линии на
плоскости пластины обычно параллельны краям пластины или электродов и делят
ее на части, колеблющиеся в противоположной фазе.
Различают четыре основных вида деформаций: сжатие — растяжение, сдвиг,
изгиб и кручение, определяющие соответственно четыре вида механических
колебаний. Первые два вида считают простейшими, изгиб и .кручение иногда
рассматривают как особые случаи неоднородных деформаций
сжатия—растяжения и сдвига соответственно. Волны сжатия — растяжения и сдвига могут
распространяться как в безграничной среде, так и в телах конечных размеров.
Волны изгиба и кручения мо>гут существовать и распространяться только в
ограниченных средах и телах конечной формы.
Механические колебания твердых тел обусловлены распространением в них
волн упругих деформаций определенного вида, и их принято различать по
виду деформаций. Поэтому различают колебания сжатия — растяжения, сдвига
(сдвиговые колебания), изгиба (изгибные колебания), кручения (крутильные
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 колебания», которые
иногда рассматривают как особый вид механических колебаний. Контурные
колебания являются сложными, что обусловлено взаимодействием двух
компонент деформаций одного или разных видов. Следствием этого является
сложность формы колебаний ПЭ и зависимость частоты ПЭ от размеров
контура пластины или стержня.
Пьезоэлементы, имеющие форму пластин или стержней, представляют
механическую колебательную систему с распределенными параметрами (массой
и упругостью). Собственные колебания являются следствием возникновения в
них стоячих волн, обусловленных взаимодействием прямых и отраженных
упругих волн от границ (краев) ПЭ. Частоты собственных колебаний
определяются скоростью распространения упругих волн и протяженностью их пути,
т. е. расстоянием между границами отражения. Как во всякой колебательной
системе с распределенными параметрами, в ПЭ наблюдается ряд частот
собственных колебаний данного вида, число которых в принципе бесконечно.
28

.; Скорости упругих волн разных видов различны. Продольные колебания
имеют примерно в 1,5 раза более высокую скорость, чем поперечные. В
безграничной среде скорость распространения продольных волн несколько выше,
чем в телах конечных размеров. Волны сдвига распространяются с одинаковой
скоростью как в безграничной, так и в ограниченных средах. Скорость
распространения упругих волн зависит от упругих свойств и плотности среды
v* = c/p, где с — упругий коэффициент (коэффициент жесткости); ? — плотность
среды. Для кристаллов как анизотропной среды упругий коэффициент с зависит
от направления распространения. Скорость распространения изгибных волн
существенно зависит от частоты, чем объясняется некратность частот обертонов
изгибных колебаний. Скорость волн в телах конечных размеров (пластинах и
стержнях) зависит также от формы тела.
Частота собственных колебаний ПЭ может быть выражена зависимостью
f = v/2b, A.3)
где ? — скорость распространения соответствующей волны; Ь — расстояние
между краями ПЭ, от которых происходит отражение. Для тел правильной
формы, например параллелепипеда, Ъ — обычно один из размеров тела (длина,
ширина, толщина). Следует всегда иметь в виду, что для каждого вида
колебаний ? зависит как от ориентации, так и от формы и отношений размеров
ПЭ. Упругие волны могут распространяться в ПЭ в направлении различных
его размеров. Это обстоятельство используют для расширения диапазона
частот резонаторов.
Свойства колебаний могут различаться 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 (продольные
колебания) могут происходить, например, по длине, ширине или толщине,
сдвиговые колебания — по толщине или ширине. Для изгибных колебаний,
распространение которых происходит по длине, уточняют плоскость изгиба, в
соответствии с чем различают колебания изгиба по ширине и толщине. Плоскость
изгиба в этих случаях образуется длиной стержня и тем его поперечным
размером (шириной или толщиной), который указан в характеристике
колебания.
Для технических расчетов вместо выражения A.3) обычно используют
формулу
f = nkf/b,
где kf — так называемый частотный коэффициент; ? — порядок колебаний.
Параметр Ь называют частотным или волновым размером ПЭ; во многих
случаях он находится в кратном отношении к длине упругой волны
(кратность в данном случае приближенная). Частотный коэффициент может быть
приблизительно постоянным только для некоторых видов колебаний и
определенных срезов и форм ПЭ, Он существенно зависит от формы и отношения
размеров ПЭ.
В резонаторах используют, как правило, полуволновые пьезоэлементы, у
которых в направлении частотного размера укладывается целое число
полуволн. Для этого поверхности ПЭ должны быть свободны от механических
нагрузок. При колебаниях полуволнового ПЭ его края (в направлении
распространения колебаний) совершают наиболее интенсивные смещения (пучности
смещений). Пучности механических напряжений сдвинуты относительно
пучностей смещений на расстояние, равное четверти волны. На рис. 1.9 показаны
эпюры механических напряжений и смещений стержня, совершающего
колебания сжатия — растяжения.
В пьезорезонаторах используются колебания: сжатия — растяжения по
длине, ширине, толщине; сдвига по толщине в большей степени и по ширине — в
меньшей; изгиба по толщине и ширине; кручения по длине.
В руководствах по резонаторам обычно приводят иллюстрации, схематично
'изображающие характер деформаций ПЭ для различных видов колебаний.
Следует иметь в виду, что изображаемые деформации далеки от реальных; в
большинстве случаев они намного сложнее, тем более, что нередко вместо
29

Рис. 1.9. Деформация (?) и эпюры
механических напряжений (б) и
смещений (в) стержня, совершающего
продольные колебания по длине.
Деформация показана намного
преувеличенной с тем, чтобы был ясен ее
характер. Видно не только
растяжение по длине, но и поперечное
сжатие
динамических деформаций изображают статические. На рис. 1.10
приведены укрощенные схемы деформаций ПЭ для разных видов колебаний. Для
большей наглядности деформации на рисунках изображены сильно
увеличенными. Напомним, что в действительности деформации имеют порядок
микрометра или даже нанометра.
Часто колебания пьезоэлемента рассматривают как одномерные. Такое
упрощение существенно облагчает анализ колебаний, однако не позволяет
получать 'расчеты частоты с необходимой 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 характерно наличие упругих связей для
линейных напряжений и деформаций, например [растяжение тела в одном
направлении сопровождается его сжатием в перпендикулярных направлениях
(явление поперечного сжатия). При растяжении кристаллического стержня кроме
деформаций поперечного сжатия могут возникать и деформации сдвига (рис.
1.11). Такие упругие связи усложняют форму колебаний, вызывают появление
Рис. 1.10. Сильно увеличенные изображения деформаций пьезоэлементов:
а —изгиба; б — кручения; в — сдвига по контуру; г — сдвига по толщине
Рис. 1.11. Деформация кварцевой пластины Х-среза при воздействии осевых сил
растяжения (показаны стрелками). Видно, что кроме компонент растяжения
по длине и сжатия по толщине деформация имеет и компоненту сдвига в
плоскости пластины
30

побочных резонансов, обусловленных видами колебаний, которые пьесоэ/
тричееки не возбуждаются. Не всегда, однако, связи разных видов колебани*
нежелательны. В некоторых случаях их преднамеренно используют для улуч^1
шения тех или иных характеристик резонаторов, например температурных.
Сложность и разнообразие форм колебаний ПЭ значительно затрудняют
задачи разработчиков и заставляют использовать при проектировании
преимущественно результаты экспериментальных исследований, предпочитая их
результатам теоретических расчетов. Следует сказать, что в последнее время
применение ЭВМ позволило решить сложные задачи теории колебаний
кристаллических пластин и использовать результаты расчетов для улучшения
характеристик резонаторов.
В разделах, посвященных резонаторам различных видов, будут приведены
некоторые особенности механических колебаний ПЭ в тех случаях, когда они
существенны.
1.8. Эквивалентные механические параметры
Большинство типов ПЭ представляют собой механические колебательные
системы с распределенными параметрами: массой, упругостью и фрикционным
сопротивлением. Пьезоэлемент, совершающий тот или иной вид собственных
механических колебаний, часто удобно представить в виде эквивалентной
механической колебательной системы с сосредоточенными параметрами и одной
степенью свободы. Такой эквивалентной систехмой может быть, например,
пружинный маятник в виде закрепленной одним концом невесомой пружины с
точечной массой и фрикционным сопротивлением на свободном конце.
Значения эквивалентных механических параметров (эквивалентных массы, жесткости
и коэффициента трения) определяются ,из условий эквивалентности обеих
систем — равенства их кинетических энергий для любого момента времени.
Исходя из распределения амплитуд механических смещений и напряжений
(деформаций) по объему ПЭ, эквивалентные механические параметры могут
быть определены, если известны закономерности распределения амплитуд.
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. По тем же соображениям эквивалентная жесткость будет
отличаться от статической жесткости ПЭ,
Эквивалентная (механическая система привела, как известно, к
представлению об эквивалентной электрической схеме. Следует иметь в виду, что в
данном случае имеет место не просто формальное использование метода
электромеханических аналогий, а более глубокая физическая связь, обусловленная тем,
что ПЭ представляет реальную электромеханическую систему. При этом
эквивалентная индуктивность отображает инерционные характеристики ПЭ для
данного вида колебаний, т. е. его эквивалентную массу, а эквивалентная
емкость — его упругие свойства (эквивалентную гибкость).
Эквивалентные электрические и механические параметры связаны между
собой следующими зависимостями:
L1 = rM1; C1=l/rG1; #i = r#M.
где ???, Gi и Дм — эквивалентные масса, жесткость и коэффициент трения;
г — так называемое электромеханическое отношение [4].
1.9. Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний
Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний осуществляется электрическим
полем, возникающим в пьезоэлементе при соединении его электродов с
источником напряжения. Форма, расположение и ориентация электродов
относительно осей кристалла определяют вид возбуждаемых колебаний и их
интенсивность. Колебания сжатия — растяжения и сдвига могут быть возбуждены
днородным электрическим полем, для создания которого достаточно двух
лекцродов, расположенных на противоположных гранях пластины или стержня
31

'{см. рис. 1.4). В общем случае· такими электродами могут возбуждаться три
продольных колебания и три колебания сдвига, распространяющиеся в трех
взаимно перпендикулярных направлениях. В двух случаях (продольных
колебаний по толщине ,и колебаний сдвига по ширине) используется продольный,
а в остальных — поперечный пьезоэффект. Двумя электродами интенсивно
возбуждаются продольные и сдвиговые колебания по толщине нечетных
порядков. Колебания четных порядков при этом не возбуждаются вследствие
компенсации пьезоэлектрических зарядов. Колебания изгиба и кручения не
могут быть возбуждены однородным полем. Для их эффективного возбуждения
необходимо воздействие неоднородного поля, имеющего противоположные
направления в разных половинах пластины или стержня. При этом возникают
противоположные деформации сжатия—растяжения или сдвига, совокупное
действие которых вызывает изгиб или кручение.
Эффективное возбуждение ПЭ имеет место тогда, когда направление
электрического поля совпадает с направлением, для которого соответствующий
пьезоэлектрический модуль имеет максимальное значение. Для кристаллов
зависимости пьезомодулей от направления известны, и это позволяет оценить
эффективность пьезоэлектрического возбуждения для каждого конкретного
случая. Форма, размеры и ориентация кристаллического элемента
определяются необходимостью достижения наиболее важных параметров, например
частоты и ее зависимости от температуры. Поэтому размеры и ориентация
электродов оказываются заданными и далеко не всегда оптимальными с точки
зрения эффективности возбуждения.
В резонаторах используется огромное разнообразие форм, размеров и
вариантов расположения электродов, необходимость применения которых
обусловлена требованиями достижения тех или иных электрических характеристик.
При уменьшении площади электродов уменьшается эффективность
пьезоэлектрического возбуждения. Электроды, покрывающие всю поверхность грани ПЭ,
вызывают механические напряжения, (распределенные по всему объему льезо-
электриха, в то время как электроды малой площади вызывают локальные
или сосредоточенные силы, вследствие чего возбуждение электродами малой
площади оказывается более слабым.
Обязательное или предпочтительное использование электродов уменьшенной
площади или сложной формы возникает, когда необходимо:
достичь эффективного возбуждения определейного вида колебаний, той или
иной его моды (обертона);
уменьшить параллельную емкость или изменить емкостное отношение;
¦ослабить нежелательные колебания;
осуществить преобразование полного сопротивления или эквивалентных
электрических параметров резонатора;
создать резонатор с числом 'полюсов более двух;
создать резонатор с двумя -или более различными рабочими частотами и т. п.
В зависимости от взаимного расположения электродов электрическое поле
в пьезозлектрике может иметь различное направление по отношению к осям
кристалла и граням ПЭ, на которых расположены электроды. Если вектор
электрического поля является нормалью к плоскости граней, на которых
расположены электроды, то поле называют перпендикулярным или поперечным,
если вектор напряженности поля расположен параллельно указанным
граням, — параллельным или продольным. В случаях, когда вектор
напряженности поля составляет угол с 'плоскостями граней, отличный от прямого, поле
называют наклонным или косым.
На рис, 1.12 изображены разновидности описанных полей. В
действительности конфигурация поля в теле пьезоэлемента оказывается более сложной и
его относят к одной из указанных разновидностей в зависимости от того,
какая компонента поля оказывается преимущественной. Некоторые виды
колебаний могут быть возбуждены в ПЭ заданной ориентации только в
результате воздействия параллельного (продольного) или косого поля. Параллельное
поле малоэффективно, так как оно поляризует ограниченный объем пьесоэлек-
трика. Наклонное поле используют для более эффективного возбуждения
продольных и сдвиговых колебаний, а также для возбуждения изгибных и кру^
тильных колебаний,
32

Рис. 1.12. Направления
силовых линий электрического
поля при возбуждении ПЭ:
а — поперечным польм; б, в —
параллельным, г — косым
Рассмотрим отдельные случаи .использования разных видов электродов для
решения тех или иных задач, возникающих при проектировании или
применении резонаторов.
На рис, 1.13 изображены эпюры пьезоэлектрических зарядов для
продольных колебаний по длине разных порядков. Сплошные электроды, покрывающие
всю поверхность грани, позволяют реализовать весь пьезоэлектрический заряд
при колебаниях первого порядка. При этом для колебаний четного порядка
имеет место полная компенсация пьезоэлектрических зарядов, в то время как
для колебаний третьего порядка и всех нечетных порядков — частичная
компенсация. Полная компенсация зарядов для колебаний третьего порядка имеет
место как при симметричном, так и несимметричном укорочениях электродов.
При несимметричном укорочении, однако, уменьшается эффективность
возбуждения колебаний первого порядка и возбуждаются четные обертоны.
Для эффективного возбуждения обертонов и устранения компенсации
зарядов используют секционированные или разделенные электроды, устройство
которых схематично показано на рис. 1.14. Соответствующая коммутация
таких секционированных электродов позволяет реализовать полный
пьезоэлектрический заряд и эффективно возбуждать нужные обертоны. Секционирование
или разделение электродов широко используют для возбуждения обертонов
2—45 33

Рис. 1.16. Электроды синусоидальной фор- Рис. 1.17. Эпюра плотности пье-
мы, используемые для полной компенсации зоэлектрических зарядов для слу-
всех обертонов продольных колебаний чая сдвига по толщине
изгибных, крутильных и сдвиговых колебаний. Изменением размеров
электродов (например, их укорочением) можно достичь подавления колебаний
нежелательного обертона. Симметричным укорочением электродов на 1/3 часть
длины пьезоэлемента можно полностью компенсировать заряды для колебаний
третьего порядка (продольных колебаний). Это явление очевидно из
рассмотрения рис. 1.15, так как сумма положительных зарядов на электродах,
определяемых площадью эпюры зарядов, в точности равна сумме отрицательных.
При этом интенсивность колебаний первого порядка уменьшится незначительно,
так как плотность зарядов на концах ПЭ существенно меньше плотности в
средней части. Подобным же укорочением электродов на 1/5 часть их полной
длины можно подавить колебания пятого порядка. Подавления всех
обертонов продольных колебаний можно достичь, используя электроды
синусоидальной формы (рис. 1.16). Укорочение электродов используют также с целью
изменения соотношения емкостей d и Со.
Электроды, занимающие всю поверхность грани ПЭ, оптимальные с точки
зрения эффективности возбуждения, далеко не всегда целесообразно
использовать исходя из многих других соображений.
На рис. 1.17 изображена эпюра плотности пьезоэлектрических зарядов на
поверхности ПЭ, совершающего колебания сдвига по толщине. Плотность
зарядов на периферийной части поверхности практически равна нулю, поэтому
наличие электродов в этой части не только бесполезно, но и нежелательно,
так как увеличивает параллельную емкость ПЭ. Поэтому ПЭ толщинно-сдви-
Рис. 1.18. Разделенные по
длине пластины-электроды
для возбуждения изгибных
колебаний
34

рис. 1.19. Секционированные по длине Рис. 1.20. Угловые электроды, ис-
стержня электроды для возбуждения пользуемые для более эффективно-
изгибных и крутильных колебаний го возбуждения пьезоэлементов
говых колебаний имеют электроды уменьшенной площади, -расположенные в
Средней части пластины.
Для возбуждения колебаний изгиба и кручения необходимо воздействие
полей, направленных противоположно друг другу. Для этого используют
разделенные электроды (рис. 1.18) либо электроды, нанесенные на четыре
боковые грани. Система из четырех электродов чередующейся полярности создает
неравномерное поле, компоненты которого в половинах ПЭ противоположны
друг другу. Возбуждение обертонов крутильных и изгибных колебаний
осуществляют секционированными электродами, соединенными соответствующим
образом (рис. 1.19). Для более эффективного возбуждения продольных и
сдвиговых колебаний в ПЭ некоторых срезов можно использовать одновременно
как продольный, так и поперечный пьезоэффекты, применяя две пары
электродов на разных гранях. На рис. 1.20 показаны такие электроды, называемые
угловыми.
С использованием двух (или более) пар электродов, изолированных
электрически друг от друга, осуществляют так называемые многополюсные
резонаторы. В ряде случаев применение многополюсных резонаторов целесообразно,
так как они позволяют существенно упрощать схемы генераторов и фильтров.
Несколько пар электродов необходимы иногда для возбуждения в ПЭ
колебаний разных частот в многочастотных [резонаторах с двумя или 'более
рабочими резонанеами. В таких случаях можно воз'буждать колебания как
одного, так и разных видов. В последнем случае могут потребоваться
отдельные пары электродов, различающиеся формой, размерами и расположением.
Далеко не всегда изготовители используют электроды оптимальных формы
и размеров, в полной мере позволяющие улучшить те или иные характеристики
резонаторов.
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 расчет емкости обычного электрического
конденсатора. Влияние геометрических параметров электродов на
динамическую емкость существенно иное и -обусловлено величиной и характером
распределения пьезоэлектрических зарядов для той или иной моды механических
колебаний. Обычно электроды располагают на тех участках поверхности ПЭ,
гДе плотность пьезоэлектрических зарядов наибольшая. Удаление электродов
с тех участков поверхности, где плотность пьезоэлектрических зарядов мала,
снижает величину параллельной емкости и лишь незначительно величину ди-
дМ^еск°й емкости, в результате чего емкостный коэффициент уменьшается
ве м'еньшение размеров электродов вызывает уменьшение емкости и соот-
ствующее увеличение индуктивности и сопротивления. При необходимости
бегаИЧЬ Т0ЧНЬ1Х значений реактивных параметров L\ и d (порядка 5%) при-
Ют к изменению площади электродов.
2* 35

1.10. Диапазон частот
Диапазон частот пьезорезонаторов весьма широк. Начинаясь в области
звуковых частот от нескольких сотен герц, он простирается без перерыва до
частот СВЧ-диалазона и достиг уже 500... 1000 МГц. Таким образом,
перекрытие диапазона частот пьезорезонаторов характеризуется числом 106, Столь
большое перекрытие достигнуто благодаря использованию всего разнообразия
видов механических колебаний, различию скоростей их упругих волн и
соответственно различию их частотных или волновых размеров, в направлении
которых происходит (распространение упругих волн. Скорости продольных и
поперечных упругих волн равны приблизительно 5500 и 3500 м/с соответственно,
а частотные размеры реальных резонаторов находятся в пределах от 50 мм
до 50 мкм. Отношение частотных размеров составляет, таким образом, 103,
определяя примерно такой же порядок перекрытия диапазона частот.
Расширение диапазона частот в область низких частот достигается в
результате использования изгибных колебаний, скорость которых существенно
ниже скорости продольных и сдвиговых волн и зависит от частоты.
Расширение диапазона частот в область высоких частот достигается возбуждением
в тонких пластинах гармонических обертонов толщинных колебаний. Техно-
.лошческие достижения последних лет позволяют изготовлять очень тонкие
кристаллические пластины, так называемые мембранные элементы толщиной
несколько микрометров, способные возбуждать колебания с частотой до
1000 МГц.
На рис. 1.21 приведена диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона
частот пьезорезонаторов разных видов колебаний. Границы отдельных
поддиапазонов несколько условны (И по мере развития исследований и техники
производства их положение меняется. Наблюдается тенденция к расширению границ
поддиапазонов преимущественно в область более высоких частот, что
обусловлено стремлением к миниатюризации, а также к повышению частот связной
радиоаппаратуры.
Для иьезокерамичес'ких резонаторов диапазон частот в верхней части
ограничен частотами 10... 20 МГц, что определяется неоднородной поликристал-
личеокой структурой керамического пьезоэлектрика. Резонаторы из новых пьезо-
Рис. 1.21. Диаграмма, иллюстрирующая перекрытие диапазона частот пьезоре-
зонаторами разных видов колебаний
36

кристаллов перекрывают несколько .иные поддиапазоны частот, иногда более
узкие, что объясняется, с одной стороны, иными упругими свойствами и
кристаллографической симметрией, а с другой — меньшей их изученностью.
Диапазон частот резонаторов с ПЭ из кристаллов танталата лития
приблизительно такой же, как и у кварцевых резонаторов, и есть основание
считать, что по мере удешевления и улучшения качества кристаллов резонаторы
йа частоте выше 100 МГц по некоторым параметрам могут превосходить
кварцевые.
Специалисты часто подразделяют диапазон частот (резонаторов на
поддиапазоны: низкочастотный A ... 1000 кГц), среднечастотный A...5 МГц),
высокочастотный E „.30 МГц), ОВЧ-диапазон C0 ... 200 МГц) и СВЧ-диаиаэон
(выше 200 МГц). Границы поддиапазонов условны, и некоторые авторы
определяют их иначе. Иногда выделяют самый низкочастотный поддиапазон от 1 до
25... 35 кГц, называя его звуковым, хотя он охватывает и надзвуковые
частоты. В тексте, говоря о резонаторах того или иного поддиапазона частот,
приняты сокращения, например НЧ-резонаторы, ЗЧ-резонаторы, ОВЧ-резонаторы
и т. п.
1.11, Добротность
Реальные колебательные системы (механические, электрические и
электромеханические) имеют различного рода потери, определяющие затухание их
колебаний. Важным параметром таких систем, характеризующим их
избирательные свойства, является добротность. Добротность Q по определению есть
энергетический коэффициент, представляющий отношение реактивной мощности
колебательной (системы РР к ее активной мощности Ра:
Для расчетов более удобно выражать добротность как отношение
максимальной реактивной энергии WPi накапливаемой системой за период колебаний,
к активной энергии W&, расходуемой на разного рода потери за то же время:
Добротность пьезоэлектрических резонаторов, для которых справедлива
эквивалентная электрическая схема на рис. .1.6, может быть выражена через
эквивалентные электрические параметры
Q = ?? Li//?! = 1/й>! Сг R19 A.4)
где coi—круговая частота последовательного резонанса резонатора.
Колебания резонаторов сопровождаются разного рода потерями,
совокупность которых определяет значения динамического сопротивления, называемого
поэтому иногда сопротивлением потерь, следовательно, и добротности. Эти
потери имеют как механическую, так и электрическую природу. Кварц
является почти идеальным диэлектриком, поэтому потери диэлектрического
происхождения могут не приниматься во внимание. У таких пьезоэлектриков, как
пьезокерамика, диэлектрические потери значительны и могут заметно влиять
на сопротивление и добротность резонаторов. Электрические потери,
обусловленные главным образом сопротивлением электродов, обычно невелики и
значительно меньше механических. Природа механических потерь сложна и
разнообразна. Основными потерями являются: .потери на акустическое излучение,
внутреннее и наружное трение, связанные колебания в пьезоэлементе. Это
подробно рассмотрено в [6—8].
Акустическая передача (излучение) колебаний происходит как в
воздушную среду, окружающую ПЭ, так и в систему крепления ПЭ. Потери на
акустическую передачу в воздушную среду можно радикально устранить, удалив
*ъ из оболочки резонатора, что и делают в вакуумных резонаторах. В
герметичных конструкциях можно уменьшить потери на излучение установкой
специальных экранов, расположенных относительно излучающих поверхностей ПЭ
так, чтобы отражать и возвращать обратно энергию, излученную ,в воздушную
сРеду. Такой же принцип используется и для уменьшения потерь, обусловлен-
37

ных передачей энергии механических колебаний в систему крепления. На
проволочных держателях, являющихся механическими волноводами, для этого
устанавливают специальные детали, называемые отражателями.
Интенсивные механические колебания ПЭ могут вызывать ионизацию
окружающего его слоя газа, являющуюся также источником дополнительных
потерь.
Потери на внутреннее трение происходят как в кристаллическом
материале ПЭ, так и в присоединенных к нему элементах — электродных и
контактных покрытиях, проволочных держателях, соединительных материалах
(припоях, клеях). Трение в поверхностном слое ПЭ, нарушенном процессами
механической обработки, также является источником интенсивных потерь. Потери
этого рода значительно больше потерь ,на внутреннее трение кристалла. Для их
уменьшения повышают чистоту обработки поверхности ПЭ, подвергая ее тонкой
шлифовке, полировке и травлению.
Источником потерь в поверхностном слое являются также разного рода
загрязнения, например остатками флюса, следами жира и пота рук и т. п.
Существенным источником потерь являются материалы, посредством которых
крепятся проволочные держатели — мягкие припои и клеи. Для уменьшения
этих потерь используют минимальные дозы припоя и составы с небольшим
внутренним трением. Мягкие припои, содержащие свинец, вносят существенное
затухание ,и в настоящее время не используются. Для иллюстрации степени
влияния материала припоя на затухание можно привести такой пример:
замена паяного соединения на термокомпрессионное у резонатора продольных
колебаний повысила добротность с 5-Ю4 до 5-Ю5, т. е. на порядок [13].
Достигнутый уровень технологии при правильных конструктивных решениях
позволяет в настоящее время существенно уменьшить разного рода
механические потери и гарантировать средний уровень добротности резонаторов не
менее 1С4... 105 для ^большинства типов. Очень высокие значения добротности
(выше 105) в большинстве случаев не требуются. Большая добротность
необходима только для резонаторов, используемых в высокостабильных кварцевых
генераторах ,и узкополосных стабильных фильтрах. Большая добротность
резонаторов является следствием правильных конструктивных решений и свиде-.
тельством высокой культуры производства. Высокодобротные резонаторы
имеют, как правило, более высокую временную стабильность частоты (меньшее
старение). У малодобротных резонаторов чаще наблюдаются .(большие
величины старения.
В прецизионных кварцевых резонаторах некоторых типов добротность
достигла предельно высоких значений и определяется практически только
внутренним трением в кварце. Все остальные виды потерь уменьшены до
предельно малых величин. В зависимости от частоты, типа колебаний и некоторых
других факторов значения добротности могут достигать нескольких миллионов
или даже десятков миллионов [6, 7].
1.12. Активность резонатора
Иногда в литературе используется качественная характеристика —
активность резонатора, характеризующая способность возбуждаться в некотором опре-,
деленном генераторе. При этом активность резонатора определяют по значению
колебательного тока или напряжения в какой-либо цепи генератора.
Естественно, более активными считаются резонаторы, при включении которых в
испытательный генератор в цепи последнего возникают более высокие значения
тока или напряжения. Оценка качества резонатора по активности относится
к относительно далеким временам, когда для испытаний кварцевых
резонаторов использовались так называемые эквиваленты генераторов, идентичные
тем, для эксплуатации в которых предназначались резонаторы. Активность
часто оказывается обратно пропорциональной сопротивлению резонатора, и.
последний считают более активным, чем меньше его сопротивление. Оценка
качества резонаторов по активности неприемлема для фильтровых резонаторов.
Активность как параметр качества резонаторов считается условным и
неопределенным и в современной практике не используется.
38

1.13, Емкостное отношение и емкостный коэффициент
Важным параметром резонатора является отношение его параллельной
емкости к динамической, обозначаемое г и называемое емкостным
коэффициентом· Используют также napaiMCTp m, называемый емкостным отношением
й являющийся величиной, обратной г.
Емкостное отношение т = С/Со. Емкостный коэффициент r=Co/Ci.
Из анализа эквивалентной схемы ПР следует приближенное выражение
(о)а—сор) /ша= Ci/2Co = m/2.
Иными словами, емкостный коэффициент определяет величину
резонансного промежутка ПР, следовательно, возможную полосу -пропускания полосового
фильтра (ПФ) или девиацию частоты управляемого ПГ.
Екостный коэффициент г характеризует отношение электрической и
механической энергий резонатора при его возбуждении; он связан с
коэффициентом ЭМС зависимостью г—?2·A—k2)/8k2 или для малых значений k r~Ti2/8k2
[13].
Значения г для кварцевого (резонатора (КР) находятся в пределах 125 ...
... 20 000, а для .резонаторов из сильных пьезоэлектриков его значение меньше
100 и достигает единиц. При возбуждении гармонических ВЧ-обертонов
емкостный коэффициент возрастает пропорционально квадрату номера обертона.
Эти коэффициенты считают типовыми параметрами, и они незначительно
различаются в зависимости от отношений -размеров, формы пьезоэлемента,
размеров электрода.
1.14. Фактор качества
Иногда для оценки способности КР возбуждаться в некоторых схемах
кварцевых генераторов (КГ) используют параметр, называемый фактором
качества или параллельной добротностью ? [17, 44]. Он определяется как
отношение добротности резонатора к его емкостному коэффициенту. Фактор
качества может быть представлен как отношение реактивного сопротивления
параллельной емкости Хос к активному сопротивлению при резонансе i?i,
следовательно
? - Q/r - Qd/Co = *??/?? = 1/?? C0 ft.
Для кварцевых резонаторов значения ? лежат в (Пределах от 1 до 10 000.
При ??<2 реактивное сопротивление резонатора оказывается положительным
(емкостным) и не имеет области индуктивной реакции, следовательно,
возбуждение такого резонатора в схемах КГ, требующих индуктивной реакции,
оказывается невозможным. При ??>2 резонатор имеет область индуктивной
реакции и чем больше значение ??, тем эта область шире. Фактор качества
считают мерой активности резонаторов при использовании их в схемах таких
Литература к разделу 1
1.1. Якименко Ю. И. Анализ характеристик пьезоэлектрических
трансформаторов// Диэлектрики и полупроводники. — 1977. — Вып. 11. — С. 55—61.
1.2. Essler R., Reichel P. Ein verfahren zur messung piezoelektrischer reso-
natoren mit tmterteilien elektroden//Nachrichtentechnik.—1967. —B. 17. —N 7.—
S. 286—288.
39

/от тысяч генри до миллигенри) и соответственно очень малые значения
эквивалентной .(динамической) емкости (порядка сотых или десятых долей оико-
фарады). Ясно, что реализация цепи, эквивалентной пьезорезонатору, из
электрических элементов (катушек индуктивности и конденсаторов), практически
нево!зможна. Для резонаторов характерны не только высокие значения
добротности, но и высокая стабильность резонансной частоты, существенно
превосходящая стабильность частоты LC-К'Онтуров. Амшштудно- и фазочастотные
характеристики ПР в области резонанса имеют очень большую крутизну,
вследствие чего подключение к нему внешних реактивных нагрузок незначительно
влияет на частоту образованной колебательной системы'. Эквивалентные
электрические параметры ПР считают постоянными, не зависимыми от частоты и
амплитуды тока, что достаточно справедливо для резонаторов из «слабых»
пьезоэлектриков, например кварцевых. Для резонаторов из «сильных»
пьезоэлектриков, например пьезокерамических, приведенная выше классическая
эквивалентная схема достаточно точно описывает его характеристики при условии,
что некоторые эквивалентные параметры зависят от частоты.*)С, учетом этого
была предложена усложненная эквивалентная схема для резонаторов из пьезо-
керамики, параметры которой не зависят от частоты (рис. 2.1) 42.1].
Схема отличается от \ классической наличием дополнительного
сопротивления Ra, включенного последовательно этому контуру. Значение Rs равно
разности сопротивлений Rin к j?ip, измеренных на частотах параллельного и
последовательного резонансов [2.1].
О порядке значений эквивалентных параметров ПР можно судить по
графикам на рис. 2.2, на которых приведены усредненные значения Ru Ci и Со
для кварцевых резонаторов. Для /резонаторов из «сильных» пьезоэлектриков
емкость Ci примерно на порядок больше, чем для кварцевых резонаторов»
Соответственно для них характерны более низкая индуктивность и более
высокая параллельная емкость.
параметров кварцевых резонаторов:
значения параметров для шкалы в мегагерцах (масштаб параметров справа)
41

Рис. 2.3. Эквивалентные электрические
схемы резонатора;
а — обычная эквивалентная схема; б —
представленная как параллельное соединение активной и
реактивной проводимосте.й; в — представленная
как последовательное соединение активного и
реактивного сопротивлений
2.2. Проводимость и сопротивление пьезорезонатора
Схема на рис. 2.3,а достоверно характеризует поведение
пьезоэлектрического резонатора в наиболее типичном случае, когда вблизи рассматриваемого
резонанса можно пренебречь влиянием прочих резонансов, индуктивностей и
сопротивлений потерь вводов, а также емкостей между электродами пьезо-
элемента и корпусом. На частотах, удаленных от резонансных, ПР ведет себя
как конденсатор, имеющий емкость Со. Следует иметь в виду, что параллель*
ная емкость С0 только для резонаторов из «слабых» пьезоэлектриков, таких
как кварц, может считаться постоянной. Для резонаторов из «сильных»
пьезоэлектриков, например пьезокерамических или ТЛ-резшаторов, емкость Со
зависит от частоты:. На частотах ниже самой низкой резонансной частоты емкость
Со больше, а на частотах выше резонансной она меньше. Это объясняется,
как указывалось, тем, что на частотах выше резонансной ПЭ ведет себя как
механически зажигая система, на низких частотах ПЭ относительно свободно
совершает колебания и его следует (рассматривать как механически свободную
систему.
Частота Последовательного резонанса
/!= 1/2?"|/?7??· Ч2·1)
Частота параллельного резонанса
/2-1/2^1/1! С1С0/(С1 +С0). B.2)
Учитывая, что Ci/C0<0,;l5 можно пользоваться приближенный равенством
/a*/i(l + <V2C0). B.3)
Цель на рис. 2,3,а .может быть представлена в виде параллельного
соединения активной Ср и реактивной Вр составляющих проводимости (рис. 2.3,6)
так, что полная проводимость ? ПР на частоте /
Кр = 0р-/5р= 1/^A +!«) — / [?/1??A + Б») — ?С01. B.4)
где %—обобщенная расстройка;
?«2<2?///?; B.5)
Af'—f—fi — абсолютная расстройка; Af/fi — относительная расстройка; Q =
=Pp/Ri — добротность резонатора; pp=2jt/iLi — характеристическое
(волновое) сопротивление резонатора.
Резонатор можно рассматривать и в виде последовательного соединения
активной i?p и реактивной Xv составляющих полного сопротивления (рис. 2.3,в).
В соответствии с [10] полное сопротивление резонатора
Я, Q(I-Q)-fig
?? = ??> + /??> = -+/ —, B.6)
р р^7 р <1_?)« + ?§ ТУ ??0[A-?)^ + ?02]
42

где фигурируют нормированная (расстройка
^ = (?2 - flVi fl - /?) « (/ - W/tfi - f ? = 2 (?///?) (C»/Ci) B.7)
й отношение активного сопротивления к модулю сопротивления параллельной
емкости 6o = (i>CoRi. Справедливо равенство ? = ??0.
Если рабочая частота не -слишком близка к частоте ^, то в большинстве
случаев, особенно для резонаторов, возбуждаемых на основной частоте,
выполняется неравенство ?0<A—?) и можно пользоваться упрощенным
выражением
? ~-Л | , ?
р~ A-?)« Т/Ш1С»A-0)*
Важное значение имеют две характеристические частоты, лежащие вблизи flt
Одна из них — частота fm, соответствующая максимуму Кр и минимуму Zp,
другая — частота резонанса /?, соответствующая Jp = Bp = 0. Еще две
характеристические частоты лежат вблизи частоты параллельного резонанса f2: частота
fn, соответствующая минимуму Кр и максимуму Zp, а также частота
антирезонанса .fa, которой, как и частоте резонанса, соответствует ??=??=0.
Приближенные формулы для названных характеристических частот имеют вид:
/m*/i(l-A); B.8)
fr»fi(l+A); Г ' B.9)
/п»/аA + Д); B.10)
/а */.(!-?); \.\ B.11)
Поскольку в диапазоне частот до 20 МГц обычно выполняется неравенство
бо<С1» во многих случаях можно считать, что частоты fm, fi и fr практически
совпадают, как и частоты fn, /2 и /а. Например, у кварцевого резонатора с
параметрами /?=1 МГц, С0=4 пФ, Q = 105, i^i= 100 Ом разность между
частотами составит /?—fm=zfr—-f<=f2—ftiz^fn—/2=1,25· 10"8. Такой же она будет
у резанатара на частоту 20 МГц с параметрами Со = 4 пФ, Q=105, i?i = 5 Ом.
Если добротность этого резонатора будет иметь прежнее значение при
возбуждении его на третьем обертоне (частота 60 МГц) и пятом (частота
100 МГц), то разность между упомянутыми частотами составит около 10~7 и
3·10~7 соответственно.
Характер приближенных частотных зависимостей величин Zp, Rv, Xp, Fp,
Gp, Бр показан на рис. 2.4, где .количественные соотношения ни по одной из
осей, га линейном масштабе соблюсти «невозможно, так как значения параметров
различаются на много порядков. Здесь же изображена также частотная
зависимость фазового угла между током через резонатор и напряжением на
резонаторе.
Взаимосвязь отдельных составляющих сопротивления и проводимости пьезо-
резонатора в зависимости от частоты поясняется круговыми диаграммами на
рис. 2.5.
Следует отметить, что кривые полного -сопротивления и полной
проводимости имеют вид окружностей лишь тогда, когда изменение составляющей соСо
в области резонанса оказывается во много раз меньше диаметра кривой полной
проводимости. В противном случае форма кривых усложняется. Для пьезо-
резонаторов отличием формы упомянутых кривых от окружностей почти всегда
можно пренебречь.
Область частот, лежащих значительно ниже резонанса, соответствует на
диаграмме сопротивлений точке пересечения горизонтальной линии 1/соС0 с осью
составляющей сопротивления, в которой окружность касается этой оси. На
Диаграмме про водим остей указанная область частот соответствует точке
пересечения горизонтальной линии ? Со с осью реактивной составляющей
проводимости, в которой окружность также касается оси. С ростом частоты ,по мере
приближения ее к области резонанса тонки полного сопротивления и полной
Проводимости смещаются по часовой стрелке, проходят последовательно через
астоты fmt ft и fry попадая в область индуктивной реакции от /г до fa, затем
43

f/coC0ftr
Рис. 2.4. Зависимости полных,
активных и реактивных проводимо-
стей и сопротивлений , а также
фазового угла (p = arctg(Xp/#p)
от частоты
Рис. 2.5. Круговые диаграммы
сопротивления (а) и проводимости
(б) резонатора
снова приходят в область емкостной реакции и, пройдя через значения fz и /я»
возвращаются в исходную точку. (Строго говоря, пройдя ее, смещаются вверх
по осям реактивных составляющих.) Необходимо иметь в виду, что величина
смещения по окружности связана с приращением частоты на обеих
диаграммах нелинейно.
Если последовательно с резонатором включен конденсатор емкостью Сп
(рис. 2.6,а), то полученному двухполюснику соответствует эквивалентная схема
на рис. 2.6,6 того же вида, что и схема на рис. 2.3,а, но с измененными
значениями параметров ![5]:
hB = hll + Ci/(Co + Cv)Y/2ttf1[l+C1/2(CQ+CH)]; B.12)
С0э = С0Ся/(С0 + Сп); B.13)
#ia-*i[l+C0/CH]2; B.14>
?i8 = M1 + <VCh]2; B.15)
Cu^CiCl/iCn + ^iCt + Co + CJ^Ct/il+Co/Cn)*. B.16>
44

рис. 2.6. Эквивалентные схемы после- Рис. 2.7. Параллельное coerf-
довательного соединения резонатора с нение резонатора с внешней
реактивными элементами; (нагрузочной) емкостью
а — с конденсатором; б — приведенная
эквивалентная схема; в —с катушкой индуктивности
Сопротивление Ri3 называют эквивалентным ^последовательным сопротивлением
приведенного резонатора (в .иностранной литературе обозначается ESR [2]).
Если последовательно с (резонатором включена катушка индуктивности без
потерь (Lb на рис. 2.6,в) и справедливо условие ю2СоЬн<1, то полученный
двухполюсник также сводится к эквивалентной схеме на (рис. 2.6,6, причем
Ь * /i(l - ^н/2б 1Х); Соэ - С0/в; BЛ7); B.18)
ч #1Э - /?? ?2; С1Э = Cj/?2; B Л9); B.20)
?,^?,??», ' B.21)
где e=il—co2iCoLh·
Если добротность катушки на частоте ? равна Ql, то для эквивалентной
схемы ,на рис. 2.6,6 активное сопротивление и добротность составят
соответственно
RiB = RiZ* + <uLn/QL; Q'-Q/A + cuLh/?iQl82). B.22)
В дальнейшем резонатор, соответствующий схеме на рис. 2.6,6,
полученной путем перехода от схем да рис. 2.6,а, в, будем называть приведенным.
К приведенному резонатору также применимы понятия характеристических
частот, причем частота параллельного резонанса /2Э равна частоте /г, а прочие
частоты изменяются соответственно модифицированным параметрам схемы на
рис. 2.6,6.
В случае присоединения конденсатора емкостью Сп параллельно
резонатору (рис. 2.7) частота параллельного резонанса образовавшегося
двухполюсника 'будет по аналогии с B.3) выражаться формулой
/28-Ml+Ci/2(C0 + CH)]. B.23)
Активная составляющая проводимости двухполюсника на частоте f2a находится
подстановкой в B.4) расстройки частоты, равной второму слагаемому в
квадратных скобках B.23), и определяется как
Ор - ?* (Сн + С0J «х/[1 + ?2 (Сн + С0J R\] ? ?2 Rx (CH + С0J. B.24)
Приближенное равенство выполняется при соблюдении условия со2(Сн+
+ ^?J^2?<1, что имеет место при (практическом использовании резонаторов
в подавляющем большинстве случаев. Величину
R23^^/^(Cn + C0fR1 B.25)
называют эквивалентным параллельным сопротивлением (в иностранной
литературе обозначается EPR).
45

2.3. Частотные параметры пьезорезонатора
Частота резонатора является основным параметром. Применительно к
пьезоэлектрическим резонаторам используется несколько (различных понятий о
частоте, приведенных ниже.
Номинальная частота — указывается в технической документации на
резонатор. К номинальной частоте неприменимо понятие о нестабильности, она
имеет постоянное значение, служащее обычно началом отсчета для отклонений
реальной частоты резонатора.
Рабочая частота — реальное значение частоты колебаний резонатора при
включении его в устройство. Разность между рабочей н номинальной
частотами не должна превышать установленного допуска. Допуски принято
выражать в относительных величинах, обычно в-миллионных долях, (реже — в про·
центах.
Частота настройки резонатора — рабочая частота в условиях, оговоренных
технической документацией, при которых (должна быть) произведена
настройка резонатора по частоте.
Следует подчеркнуть, что (рабочая частота характеризует /резонатор не как
самостоятельный элемент, а в совокупности с устройством, для которого он
предназначен. В отличие от этого шесть частот,, рассмотренных в § 2.2,
характеризуют резонатор как самостоятельную колебательную систему. Из них наи·
большее значение имеют частота последовательного резонанса /?, частота
минимального сопротивления fm и частота резонанса /г, 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 /а, параллельного резонанса /г и (Максимального
сопротивления }п. Как уже упоминалось, на практике частоты fi>m и fr обычно
можно считать совпадающими. Частоту 'последовательного резонанса часто
используют в качестве параметра преимущественно фильтровых резонаторов.
Нестабильность частоты. Под воздействием различных факторов
(климатических, (механических, радиационных, времени и др.) частота резонатора
изменяется. Количественными характеристиками таких изменений могут 'служить
коэффициенты частоты (температурный, силовой и др.), выражающие
нестабильность частоты в 'пересчете на единицу воздействующего фактора. В
некоторых случаях .зависимость частоты от внешних факторов нелинейна и
соответствующие коэффициенты непостоянны. Тогда нестабильность частоты
определяют при наибольших возможных значениях воздействующих факторов,
предусмотренных условиями эксплуатации.
Из (Группы параметров, (характеризующих нестабильность частоты, на
практике наиболее часто используются:
температурный коэффициент частоты t(TK4);
нестабильность частоты при изменении температуры в пределах заданного
интервала;
нестабильность частоты при быстрых изменениях температуры;
нестабильность частоты при воздействии циклического изменения
температуры от одного до другого из двух предельно допустимых значений при
эксплуатации;
временная нестабильность частоты (старение) — изменение частоты за
определенный отрезок времени (сутки, месяц, год, несколько лет);
нестабильность частоты от .механических воздействий. Количественной
мерой этой .нестабильности обычно служит изменение частоты от
первоначального значения в результате воздействия вибраций, 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 изменениями 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 известна, то результирую-
46

3200 3300 ЗкОО 3500 3600 3700 3800
Рис. 2.8. Графическое представление спектра резонансных частот резонатору
щую нестабильность частоты следует рассчитывать по правилам теории
вероятностей. При воздействии взаимонезавиеимых факторов обычно рассматривают
среднеквадратичеекое значение результирующей неетабилньости [10, 11].
Г п 1V2
?///= 2(Д///02 · B.26)
Li=l J
Частота резонатора существенно зависит от уровня его .возбуждения, что
рассмотрено в разд. 22.
Спектральная характеристика дает представление о частотах и интенсив-
ности побочных резонансом .резонаторов. Обычно ее изображают графически,
представляя побочные резонансы в виде отрезков, положение которых то оси
абсцисс определяет частоты, а размеры по оси ординат -— интенсивность
побочных резонансов. Интенсивность побочных резонансов выряжают в
относительных единицах (отношения сопротивлений на частотах побочного и рабочего
резонансов), процентах или децибелах. В ряде случаев спектр частот
резонаторов характеризуется регулярными побочными резонансамн, частоты которых
достаточно точно определяются относительно частоты рабочего резонанса.
В этих случаях можно руководствоваться типовой спектральной
характеристикой, образец которой показан на рис. 2.8. В технической документации
оговариваются требования к ослаблению по1бочных резонансов в определенной
ограниченной области частот.
2.4. Электрические параметры
Сопротивление. В технической документации указываются предельно
допустимое (наибольшее) -сопротивление и в некоторых случаях изменение его от
температуры (в /процентах).
Индуктивность. Значения индуктивности нормируются для резонаторов,
предназначенных для фильтров. Требования к значениям индуктивности обычно
заключаются в пределах 5 ... 10 %.
Емкость. Значения емкости нормируются у резонаторов, предназначенных,
для управляемых по частоте и терм скомпенсированных генераторов. Емкость
легко рассчитывается через известную частоту и индуктивность но формуле
(^•1)· Требования к точности указания емкости обычно заключаются в пределах
о ...20%.
Параллельная емкость. Емкость С0 в большинстве случаев не нормируется
и. сообщается в качестве справочной величины. При нормировании задается
наибольшее (значение емкости С0.
47

Добротность. Если в технической документации оговорены требования к
сопротивлению и индуктивности резонаторов, то этим определены и
требования к добротности, поскольку она описывается выражением A.4). От
добротности резонатора существенно зависит кратковременная стабильность частоты
генератора, поэтому ее как нормируемый параметр указывают в технической
документации на прецизионные резонаторы. До!бротноеть как параметр
указывают в технической документации в случаях, когда для контроля параметров
используют приборы с прямым измерением добротности. При этом нет
необходимости нормировать сопротивление. Значения добротности резонаторов из
«сильных» пьезо'электриков лиже, чем у кварцевых, и приведены в
соответствующих разделах.
Значения добротности кварцевых резонаторов обычно заключаются в
пределах 104... 106, Прецизионные резонаторы характеризуются еще более
высокой добротностью, достигающей нескольких миллионов.
Емкостный коэффициент. Отношение емкостей r = C0/Ci, называемое
емкостным коэффициентом, является типовым параметром резонатора справочного
характера. Для потребителей при выборе резонатора знание этого параметра
существенно, поскольку он определяет величину резонансного промежутка, т. е.
относительную разность частот параллельного и последовательного резонан-
сов, как видно из выражения B.3). Резонансный промежуток определяет
предельные значения полосы пропускания фильтров и пределы девиации частоты
управляемых генераторов. Для ??? из «сильных» пьезоэлектриков значения
емкостного коэффициента ниже, .чем у кварцевых.
Сопротивление изоляции. Сопротивлением изоляции является сопротивление
между электродами ПЭ резонатора, а также между электродами и корпусом
резонатора, если корпус металлический. Сопротивление изоляции резонаторов
составляет сотни иди тысячи мегом. В технической документации обычно
сопротивление изоляции нормируется не ниже указанных величин. В условиях
воздействия влажности допускается снижение сопротивления изоляции до
1 ... 5 МОм.
Допустимое напряжение. Значение постоянного или переменного
напряжения, приложенного к электродам или между электродами и корпусом
резонатора, не должно быть больше Г00... 200 В. Напряжения, значения которых
больше указанного, опасны, так как могут вызвать пробой между электродами
и ионизацию '(газовый разряд) внутри корпуса резонатора и, как следствие
этого, порчу резонатора. Поэтому в технической документации оговаривается
допустимое напряжение на частоте, значительно удаленной от резонансной,
например 50 Гц.
Мощность рассеяния. В качестве параметра в технической документации
всегда указывается предельно допустимая мощность, рассеиваемая резонатором
в рабочем режиме. Явления, связанные с воздействием на параметры
резонатора мощности рассеяния, рассматриваются ниже более подробно.
Допустимая мощность рассеяния для кварцевых резонаторов в зависимости от типа
резонатора заключается в пределах 0,01 ... 2 мВт.
2.5. Выбор величины допуска на точность настройки резонатора
по частоте
Погрешность настройки резонатора по частоте влияет, (с одной стороны,
на достижимую точность частоты генератора, а с другой — на трудоемкость
изготовления резонатора, следовательно, и на его (стоимость. Даже если к
точности частоты генератора предъявляются высокие требования, далеко не
во всех ^случаях целесообразно вводить жесткий допуск на еастройку
резонатора по частоте. Более разумной мерой обычно является введение в схему
генератора лодетроечного элемента, например подстраиваемого конденсатора.
Стабильность частоты генератора практически не ухудшится, если ввести
подстройку порядка 10~5 при работе ВЧнрезонатора на основной частоте, порядка
10-6 при работе на третьем обертоне и порядка 10~7 при работе на пятом
обертоне.
48

Очевидно, что чем больше допустимая нестабильность частоты генератора
д/д й чем больше -пределы подстройки частоты ?/?, тем большую -погрешность
настройки резонатора по частоте можно (принять.
Допустим, что все экземпляры рабочих генераторов точно настроены на
номинальную частоту в одинаковых условиях в одно время с использованием
одного и того же резонатора, принятого ва. образцовый. Если после этого
включать поочередно в генераторы другой резонатор того же типа, полностью
отвечающий 'требованиям технических условий, то частота генерации тем не
менее будет воспроизводиться с некоторой погрешностью. Пусть при
использовании какого-либо .резонатора для таких испытаний невоспроизводимость
частоты окажется наибольшей, обозначим ее через ?/?. Подобного характера
яевоспроизводимость частоты ?/? .будет иметь место и за счет технологических
устройств, используемых для возбуждения (резонаторов при их настройке.
Допустимые изменения частоты генератора за счет старения, климатических,
механических и других воздействий обозначим через ?/?. Допуск на неточность
настройки резонатора по частоте ?/? должен определяться алгебраической
суммой
Д/н==А/д + А/д-Л/р —?/? — ?/?-?/?, B.27)
где ?/3 — запас на допуск. Найденное значение округляется в сторону
уменьшения до ближайшей стандартизованной величины.
2.6. Выбор системы контролируемых параметров
пьезоэлектрического резонатора
Системы параметров, используемые для оценки свойств (резонаторов,
должны ^выбираться из соображений обеспечения требуемой точности при
максимальной простоте измерительной процедуры, а также удобства согласования
резонатора с рабочим устройством.
У резонаторов, предназначенных для использования в фильтрах,
контролируется частота последовательного резонанса, которая используется лри расчете
ПФ. Существенное влияние на параметры ПФ имеет соответствие
индуктивности ее значению, указанному в ТУ, однако в большинстве случаев можно
контролировать этот параметр выборочно, потому что он хорошо
воспроизводится у одинаковых резонаторов от образца к образцу, так как
определяется в основном геометрическими размерами пьезоэлемента и электродов.
Параллельная емкость Со по той же причине контролируется выборочно.
Сопротивление часто не контролируется: достаточно лишь, чтобы резонатор активно
возбуждался в технологическом генераторе на частоте последовательного
резонанса; обязательно требование к ослаблению побочных резонансов в
заданной полосе частот.
Контроль параметров резонаторов, предна^значенных для использования в
генераторах, более сложная задача, не всегда решаемая на должном уровне
как по причине отсутствия соответствующих методов, так и из-за
недостаточного .совершенства имеющихся (измерительных средств. Условия работы
резонаторов в генераторах весьма разнообразны, частота колебаний в общем
случае не совпадает ни с одной из характеристических частот резонатора. Это и
явилось в свое время причиной широкого использования эквивалентов
генераторов, следствием которого стала невозможность достижения единства мер
в условиях производства ПР.
Если выделить в КГ резонансную колебательную систему, под которой
будем понимать резонатор с присоединенными к нему реактивными
элементами схемы, и лерейти ,(.как изложено в § 2.2) к приведенному резонатору, то
частота колебаний будет близкой к одной из его характеристических частот.
ь ряде КГ имеет место резонанс с внешним нагрузочным конденсатором,
подключенным параллельно резонатору; их принято называть генераторами с
параллельным резонансом. В других КГ, называемых генераторами с
последовательным резонансом, резонатор используется как элемент, имеющий на резо-
49

наивной частоте низкое сопротивление с относительно малой реактивной
составляющей. Разделение 'генераторов с параллельным и 'последовательным ре-
зонансами не основывается на каких-либо строгих принципах. Скорее оно
основано на сходстве поведений колебательной системы генератора и обычного
колебательного контура (параллельного или последовательного).
Рабочая частота КГ -с параллельным резонансом приблизительно равна'
частоте /2э, определяемой выражением B.23). Рабочая частота КГ с
последовательным резонансом приблизительно равна частоте последовательного резонанса
резонатора, а если последовательно с ним включен конденсатор или катушка
индуктивности, то частоте приведенного резонатора (ом. рис. 2.6). Если
нагрузочные конденсаторы имеют одинаковые емкости в КГ с .параллельным и КГ
с последовательным резонансами, то и частоты генерации совпадают, что
следует из идентичности выражений B.12) и B.23).
Унифицированные испытательные устройства, как правило, (возбуждают
резонаторы на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса /?.
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 последовательно с резонатором нужно .иметь нагрузочную емкость, равную·
Сн. При атом разброс емкости и индуктивности резонаторов приведет к
разбросу частот [последовательного резонанса, но не рабочих частот.
У резонаторов, предназначенных для КГ (как и у резонаторов для КФ),
нет необходимости вести (Сплошной контроль реактивных параметров Со, ?? и-
Ci ввиду их 1аравн;ительно высокой повторяемости. Однако добротность и
сопротивление резонаторов подвержены «значительным технологическим разбросам,
поэтому один из этих параметров обязательно должен контролироваться при
изготовлении каждого резонатора. Второй параметр может вычисляться через
частоту и более стабильные реактивные параметры Li и С\. Предпочтительнее·
прямое измерение сопротивления, поскольку оно осуществляется легче, чем
измерение добротности.
Если испытьгвается резонатор с последовательно включенным
конденсатором, то измеряться будет не (величина Rlt a Rib, определяемая формулой
B.14). Зная Ru нетрудно рассчитать необходимую для количественной оценки
активности резонатора в КГ с параллельным резонансом величину R29. При
равенстве емкостей нагрузочных конденсаторов из B.14) и B.25) следует
/?» = l/o>?c2*i8. B.28)
Таким образом, активные свойства резонатора на параллельном резонансе
легко оценить через величину Яш, измеряемую на последовательном резонансе.
Температурные испытания резонатора также следует вести, возбуждая его
в унифицированном генераторе с последовательно подключенным нагрузочным
конденсатором. Получаемая при этом ТЧХ близка к той, которая будет иметь
место в рабочем генераторе. Под влиянием температурных изменений емкости
Ci она несколько отличается от ТЧХ на частоте /ч.
Активные свойства резонатора в диапазоне температур целесообразно
представлять кривой температурной зависимости параметра RiQ или Ru учитывая?
назначение резонатора. Кривая изменения параметра i?i9 и ТЧХ могут быть
получены за один температурный цикл, а сами испытания могут быть
автоматизированы.
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 Ri — эквивалентное сопротивление при коротком замыкании
нагрузочного конденсатора; / — рабочую частоту и Rib — эквивалентное
последовательное сопротивление при подключении последовательно с резинатором
конденсатора с точно известной емкостью Сн. Значения этих параметров,
измеренные для каждого резонатора при определенной температуре, а также Св
50

следует приводить в паспорте резонатора. По .ним могут быть рассчитаны
значения параметров эквивалентной схемы но формулам
Сгъ[2Ся(/-/i)//i] VR^JWv B.29)
Со^СпУ{Я1э/^)-1; B.30)
LiPtfl/to^d. B.31)
Формула B.29) получена на основании (.2.14) и B.12), а B.30)
тождественна B.14).
Во (многих случаях для резонаторов широкого применения можно
ограничиться измерением у каждого образца -только двух параметров: fi и Ri или
f и Rid <в .зависимости от назначения резонатора, 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 во-эбуждения в рабочем
генераторе. В унифицированных испытательных устройствах необходимо
предусматривать возможность регулировки уровня возбуждения резонатора.
2.7. Полная эквивалентная схема двухэлектродного
пьезорезонатора
Эквивалентная схема на рис. 2.3,а не отражает некоторые характеристики
резонаторов, которые следует учитывать в ряде случаев их применения. Более
полная эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рис. 2.9, где
#и представляет собой (сопротивление изоляции между выводами; LB, Rb ? Св —
распределенные индуктивность, сопротивление и емкость выводов резонатора
и деталей крепления пьезоэлемента. Если резонатор имеет металлический
корпус, то Св отражает емкость каждого электрода и соединенных с ними
металлических частей относительно корпуса; Соэ — параллельная емкость самого
пьезоэлемента.
Поскольку .резонатор предназначен для работы только в очень узкой
полосе частот, близких к номинальной, схема на рис. 2.9 может быть приведена
к упрощенной схеме на, рис. 2.3,а. На частотах в десятки и сотни мегагерц
из-за влияния индуктивностей LB измеренное значение Со оказывается
различным у одного и того же резонатора при работе его на разных обертонах.
На частотах до 10 ...20 МГц влияние LB обычно можно не учитывать.
Сопротивление :??и приходится учитывать только у низкочастотных резонаторов при
раюоте их во влажной среде; оно может быть пересчитано в последовательную
ветвь как соответствующее увеличение сопротивления потерь Ri. Для
резонаторов с металлическими корпусами на частотах до 50 МГц достаточно
учитывать только емкость между корпусом и выводами резонатора, ;[51];
эквивалентная схема в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 2.10.
^ис 2.9. Эквивалентная*схема
резонатора, учитывающая сопротивление,
емкость и индуктивность выводов
Рис. 2.10. Эквивалентная схема
резонатора, учитывающая емкости
между выводами и между выводами и
корпусом
51

Литература к разделу 2
2.1. Told ?., Tsuzuki Y., Mitsuoki ?. A new equivalent circuit for piezoelek-
tric disks resonators//Proc. 34-th ASFC — 1980. —P. 58—62.
РАЗДЕЛ 3.
КЛАССИФИКАЦИЯ, УНИФИКАЦИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ
РЕЗОНАТОРОВ
3.1. Признаки классификации
К настоящему времени классификация пьезоэлектрических резонаторов в
основном завершена и ее основные принципы определились. Классификация
служит основой унификации и стандартизации резонаторов. В рамках Между,
народной электротехнической комиссии (МЭК) разрабатываются документы
(публикации) по классификации, унификации и стандартизации резонаторов.
Публикации и стандарты МЭК являются основой для -разработки нормалей
и стандартов на пьезоэлектрические резонаторы, их конструкции, системы
параметров, методы испытаний и измерений. Советский комитет МЭК активно
участвует в работе технического комитета МЭК по пьезоэлектрическим
устройствам, издает стандарты МЭК на русском языке с целью ознакомления
технической общественности, предприятий и организаций с международным
опытом и достижениями в этой области. Стандарты МЭК не заменяют
действующих в стране государственных и отраслевых стандартов, нормалей и других
документов на резонаторы, но являются полезными пособиями, существенно
дополняющими их. В списке литературы приведены публикации и стандарты
МЭК, а также государственные и отраслевые стандарты на пьезоэлектрические
резонаторы и устройства.
Признаков классификации резонаторов достаточно ми ого. Их
классифицируют по видам льезоэлектрика, Конструктивным различиям, назначению,
условиям эксплуатации, диапазонам частот, видам механических колебаний ПЭ
и ориентации (срезам) кристаллических элементов и некоторым другим
признакам.
Для резонаторов используют как кристаллические, так и керамические
пьезоэлектрики. Из кристаллических льезозлектриков используют кварц,
тантал ат лития (ТЛ), ниобат лития (НЛ), калий виннокислый (KB), берлинит,
тетра'борат лития (ТБЛ), лангасит (ЛГС) и некоторые другие. Из перечие-
|ленных пьезоэлектритав широкое практическое применение нашли кварц,
виннокислый калий и танталат лития. Остальные только начинают осваиваться в
промышленном производстве. С учетом принятых в технической литературе
сокращений различают льезорезонаторы: кварцевые, KB-резонаторы, ТЛ-резо-
наторы, Л ГС-резонаторы, ТБЛ-резонаторы, ПК-резонаторы (пьезокерамичес-
кие) составные или композиционные (с пленочным пьезоелектриком). По
конструктивным признакам различают резонаторы в корпусах и бескорпусные
резонаторы, далее —· по материалу корпусов: в пластмассовых, стеклянных,
металлических и керамических корпусах.
Резонаторы в пластмассовых и керамических корпусах отечественная
промышленность не выпускает. За рубежом в пластмассовых корпусах выпускаю!
керамические резонаторы.
В особый класс выделяют микрорезонаторы, отличающиеся очень малыми
размерами и объемом.
По форме корпусов, расположению и виду выводов резонаторы делят на
две группы: для РЭЛ на дискретных компонентах и 'для МЭА, совместимые
с микросхемами и другими компонентами этой аппаратуры.
Конструктивные признаки касаются числа полюсов резонаторов, числа
пьезоэлементов в корпусе и числа рабочих частот резонатора. В первом случае
52

рЬ1деляют двух-, трех- и четырехполюсные резонаторы. Большинство
резонаторов выпускается двухполюсными, трех- и четырехполюсные резонаторы
используют преимущественно ib фильтрах и сравнительно редко в генераторах,
Для экономии объема в один корпус часто заключают два, три, а иногда
й .больше пьезоэлементов. Такие 'резонаторы имеют несколько -рабочих частот
й их называют (соответственно двух-, трех-, четырехчастотними. Иногда
увеличение числа (рабочих частот достигается возбуждением двух или более мод
колебаний одного пьезоэлемента, частоты которых· .различны. Такие резонаторы
называют двухмодовыми или многомодовыми в зависимости от числа рабочих
мод колебаний ПЭ. Резонаторы с равными ПЗ в общем корпусе имеют обычно
отдельные выводы для .каждой (рабочей частоты. Многоходовые резонаторы
часто имеют общие выводы для всех рабочих частот и редко отдельные
выводы для {равных (рабочих частот.
К конструктивным особенностям резонаторов относят наличие в их составе
элементов другого функционального назначения — датчиков температуры,
конденсаторов, варикапов, резисторов и гцр. К числу таких резонаторов относятся
так называемые резонаторы-термостаты с внутренним термоетатированием
пьезоэлемента. Резонаторы-термостаты представляют достаточно сложные
гибридные или интегральные устройства, описанию которых посвящен (Специальный
раздел, Подробнее конструктивные различия резонаторов рассмотрены; в разд. 5.\
По назначению различают резонаторы генераторные, фильтровые и
резонатор ындатчиш.
Конструктивно генераторные и фильтровые резонаторы не различаются. *
Их различие определяется требованиями к электрическим параметрам. Для
фильтровых (резонаторов характерны жесткие требования к реактивным
эквивалентным параметрам и ослаблению побочных резонанеов. Различия
требований к параметрам 'генераторных и фильтровых резонаторов приведены в.
табл. 3.1 и более подробно рассмотрены в других разделах.
Генераторные резонаторы разделяют на (следующие группы: общего
применения, для управляемых и термокомиексированных генераторе©, термоета-
тируемые и прецизионные.
Термостатируемые резонаторы разделяют на резонаторы с внешним и
внутренним термостатированием. Последние, как указывалось, называют резонато-
р ами -термостатами.
Стабильность частоты. Возникают известные трудности при классификации
резонаторов по стабильности их частоты ввиду того, что последняя зависит
от многих внешних факторов, причем различным образом. По этой причине
очень трудно установить общий показатель стабильности (от многих факторов),
поэтому ограничиваются установлением допусков на стабильность только от
Таблица 3.1. Основные параметры резонаторов в зависимости от назначения
Параметры
Назначение резонаторов
для генераторов
для фильтров
Частота
Побочные
резонансы
Сопротивление
Индуктивность
(емкость)
Параллельная
емкость
Рабочая частота и ее от
клонение от номинала
Достаточно ослабления
3,5... 6 дБ
Частота последовательного
резонанса и ее отклонение от
номинала
Требуется ослабление в
заданной полосе частот в пределах
20 ...60 дБ
армируется предельное значение
Не нормируется
Не нормируется или
ограничивается предельное
значение на частотах выше
20 МГц
Жестко нормируется с
допуском 1 ... 10%
Нормируется предельное
значение
53

Таблица 3.2. Стандартный ряд допусков на точность настройки частоты
Точность

настройки
Л///,
Х10-6
4-0,5
+ 1
+3
+5
?-10
+ 15

Обозначение
допуска
1
2
3
4
5
6

Прецизионные

резонаторы
+
+
+
Прочие

резонаторы
+
+
+
Точность

настройки
1 xio-s
+20
+30
+50
+75
+ 100

Обозначение
допуска
7
8
9
10
11

Прецизионные

резонаторы
—
Прочие

резонаторы
+
+
+
+
+
отдельных факторов. Некоторые допуски стандартизованы, например на
отклонение частоты от номинального значения при заданной постоянной
температуре. В табл. 3.2 приведены установленные стандартные допуски на эти
отклонения.
Жесткость условий эксплуатации. Постоянно возникают попытки
нормализации и ограничения условий эксплуатации резонаторов, однако они
наталкиваются на трудности, обусловленные, с одной стороны, многообразием условий
эксплуатации различной, особенно специальной, аппаратуры и, с другой
стороны, вынужденной этой тенденцией необходимостью расширения допусков на
параметры и характеристики резонаторов. Тем не менее в ранних стандартах
устанавливались четыре группы жесткости, которые, однако, далеко не
удовлетворяли разнообразию предъявляемых требований. В настоящее время
изготовители и заказчики предпочитают формулировать эти требования в частных
технических условиях.
Виды колебаний и срезов. По видам колебаний принято различать
резонаторы;: изгибных колебаний, крутильных колебаний, продольных колебаний,
контурных колебаний, сдвиговых колебаний по толщине (толшдшн о -сдвиговых
колебаний).
Часто уточняют размеры ПЭ, в направлении которого распространяется
упругая волна.
Классификация по видам колебаний полезна, поскольку она указывает
ориентировочно на диапазон частот, характер спектра частот побочных резо-
нанеов, порядок значений некоторых параметров.
Классификация по видам срезов еще более конкретизирует некоторые
наиболее важные характеристики или параметры резонаторов. Для кварцевых
резонаторов получили распространение буквенные или буквенно-цифровые
сокращенные Обозначения, называемые родовыми. Характеристики резонаторов с пье-
зоэлементом того иного рода оказываются сходными для широкого диапазона
частот, что существенно облегчает их описание. Для резонаторов из других
пьезоэлектриков родовые обозначения еще не установились и поэтому не
приводятся.
3,2. Родовые обозначения кварцевых резонаторов
Родовые обозначения резонаторов имеют разное происхождение. Часто
они определяются видом среза ПЭ, и родовое обозначение совпадает с
условным обозначением среза ПЭ Общепринятые обозначения срезов кварцевых
ПЭ —· AT, БТ, ДТ, ИТ и др. одновременно являются родовыми обозначениями
и резонаторов с этими ПЭ. Поэтому принято родовые обозначения в этих
случаях писать и произносить без слова «срез», т. е. просто резонатор AT, ИТ
и т. Д., а не резонатор среза AT, как это было принято в ранних источниках.
Часто родовые обозначения определяются видом или модой колебаний, особыми
отношениями размеров ПЭ, конструктивными особенностями, инициалами имен
и фамилий изобретателей и т. д. Например, семейство резонаторов продольных
54

Таблица 3.3. Родовые обозначения кварцевых резонаторов
колебаний Х-среза в большинстве своем имеет в родовых обозначениях букву
X, обозначающую срез X (икс) ПЭ. Другие 'буквы родового обозначения
относятся к различиям формы или среза ПЭ. Например, резонатор XT
обозначает (резонатор с относительно узким ПЭ и малым ТКЧ, резонатор ХЩ —
резонатор с широким ПЭ, имеющим щели, и буква Щ является начальной
буквой слова щелевой. Резонаторы с (родовыми обозначениями ВП, СЛ, ТС,
ТД, АП и др. получили обозначения от начальных букв фамилий изобретателей.
Поэтому неуместно употреблять термины (резонатор срезов ВП, СЛ и т. д.;
поскольку эти родовые обозначения не связаны со срезом.
В {родовые обозначения резонаторов в последнее время вводят цифровые
индексы:, обозначающие номер рабочего обертона, на частоте которого
работает резонатор. Например, для резонатора AT, рабочей частотой которого
является частота пятого обертона, родовое обозначение содержит индекс 5 и
пишется АТ5. Для резонаторов, работающих на частоте основного колебания,
индекс обычно опускается.
Для резонаторов изгибных и продольных колебаний с ПЭ семейства Х-оре-
за в отечественной литературе используются родовые обозначения с буквой X
русского алфавита, имеющей одинаковое начертание с латинской буквой X и
обозначающей срез ПЭ, перпендикулярный направлению оси X кварца. Эти
буквы обозначения в устной речи имеют особенность, состоящую в том, что
русскую букву X произносят как латинское «икс». В табл. 3.3 приведены
родовые обозначения кварцевых резонаторов буквами русского и латинского
алфавитов, используемые в отечественной и зарубежной литературе.
3.3. Унификация и стандартизация
Унификация и стандартизация резонаторов ведется уже длительное
время. Начавшись в рамках отдельных предприятий, а затем и стран, с конца
50-х ;Годов она осуществляется МЭК-
Советский Союз в числе других промышленно развитых стран активно
участвует в работе МЭК и его технического комитета № 49, занимающегося
55
Обозначения
русскими буквами
Обозначения
латинскими
буквами
Резонаторы изгибных колебаний
ХА 1 Я, 5° X
ХБ РТ, I, J
ХВ XY — Bar
хг -
НТ I NT
Резонаторы крутильных колебаний
ВП 1 VP
Резонаторы продольных колебаний
XT (икс-Т) | Е, XT, 5°Х
ХЕ —5° ?, ?
?? + 18°Х, F
хп —
хщ , —
ШТ НТ
мт , мт
ЖТ GT
ЗТ (зет-Т) I ZT
Обозначения
русскими буквами
Резонаторы ?
ЦТ
дт
СЛ (ДТ)
ЕТ
ФТ
АП
БП
АЦ
БЦ
AT
БТ
ДП
ФЦ
ИТ
ТД (СЦ) ,
АК
ТС
I PT
Обозначения
I латинскими
| буквами
сдвиговых колебаний
| СТ
DT
SL
ЕТ
FT
АР
ВР
АС
ВС
AT, A
ВТ, В
FC
IT
TS% TTC% SC, MSCy
??
АК
RT

вопросами стандартизации пьезоэлектрических устройств, в том числе и
резонаторов. Учитывая, что большинство (стран придерживается стандартов МЭК,
отечественные стандарты в большинстве своем соответствуют стандартам МЭК,'
и ведется работа по приведению их в полное соответствие, При экспортных
поставках резонаторов заказчики, как правило, требуют соответствия
стандартам МЭК. Стандартизация коснулась прежде всего конструкций резонаторов —
формы и размеров их корпусов, видов, числа и расположения выводов и
правил соединения их с электродами пьезоэлементов, что существенно с точки
зрения взаимозаменяемости резонаторов, изготовленных разными предприятиями.
Стандартизованы также величины внешних воздействий .механических и
климатических факторов, а также условия и методы (Испытаний. Стандартизованы
терминология, основные параметры и характеристики, их определения.
Рассмотрим некоторые вопросы стандартизации, существенные для потребителей
резонаторов.
Условные обозначения. Для резонаторов установлены стандартные
условные обозначения, которые полагается использовать в технической документадии
и которые по возможности маркируются на корпусе резонатора и
вписываются в их паспорта [84].
Условные обозначения делятся ,на полные, содержащие наиболее
существенную информацию о параметрах резонатора, и сокращенные, связанные через
регистрационный номер с технической документацией, в которой содержится
нужная информация.
Условное обозначение конкретного резонатора состоит из чередующихся
групп букв и цифр, обозначающих различные характеристики. Первая буква ?
ставится для всех случаев, так как она является начальной слова .«резонатор»
и обозначает его. Вторая буква обозначает вид пьезоэлектрика (для кварца —
К, лля танталата лития — Т). Следующее за ними число обозначает
регистрационный номер (резонатора, а две буквы за ними — вариант типа корпуса.
Далее следует число, обозначающее класс точности настройки частоты.
Следующие буквы обозначают интервал температур и величину изменения частоты
в этом интервале, -а стоящее за ней число есть значение номинальной частоты
в килогерцах, если за числом стоит буква К, или в мегагерцах, если за числом
стоит буква М. Пример такого обозначения:
РК483КА-15ДР-5000К.
Полное условное обозначение содержит следующую информацию: резонатор
кварцевый с регистрационным номером 483 в стеклянном корпусе типа КА, с
точностью настройки частоты ±20,0· 10~6, изменением частоты от температуры
±25,0· Ю-6 в интервале температур —40...85°С, с номинальной частотой
5000 кГц.
Пример сокращенного обозначения выглядит следующим образом:
РК483-5000К- Это обозначение содержит только информацию,
свидетельствующую, что резонатор кварцевый, имеет регистрационный номер 483 и
номинальную частоту 5000 кГц.
В технической документации стандартом :[75] в зависимости от
назначения обязательно указываются следующие электрические параметры:
сопротивление Ri (или добротность), индуктивность Lu параллельная емкость ?0 и
емкостный коэффициент r = Co/Ci.
Отклонение рабочей частоты резонатора от номинального значения
(точность настройки) в технической документации устанавливается в пределах
одного из допусков, имеющихся в табл, 3.2.
Интервалы рабочих температур, температура настройки частоты и их
условные обогзначекия приведены в табл. 3.4. Допустимые (наибольшие)
изменения рабочей частоты в интервале рабочих температур приведены в табл. 3.5,
в которой указаны и их условные буквенные обозначения.
Стандартом {75] установлен ряд значений на ослабление побочных резо-
нансов но отношению к основному, не менее: б, 10, 20, 30, 40, 50 60 дБ. Из
них первые три значения — для генераторные резонаторов. Установлены также
ряды значений на изменение рабочей частоты резонаторов за время
минимальной наработки и в течение срока хранения.
56

Таблица 3.4. Стандартные
интервалы рабочих температур и их
обозначения
Таблица 3.5. Условные обозначения
стандартизованных норм на изменения
частоты резонаторов
Изменение
частоты,
?///?10-5
±0,1
±0,2
+0,5
±1,0
±1,5
±2,0
±2,5
4-3,0
±5,0
±7,5
±10
Обо-

значение
А ¦
Б
В
г
д
? !
Ж ?
И
К
Л
i ?
•, ?
Изменение
частоты,
?///?10-6
±15
±20
+25
+30
±40
+50
±100
±150
±200
+300
±600
+800


значение
?
?
?
с
?
У
?
ц
ч
ш
1 щ
э
Интервал
рабочих
температур, °с
-10... +60
—30...+60
—40...+70
—60... +70
—60... +85
—60...+100
-55...+65
+ 65 ... +75
+ 75...+85

Обозначение
А
Б
В
Г
Д
?
' ж
и
! К

Температура
настройки,
25±5
! 60±0,5
; 70±0,5
1 80--1:0,5
Стандартизация коснулась, как следует из названия стандарта, только
кварцевых резонаторов, однако при составлении технической документации на
резонаторы из других пьезоэлектриков за основу берут стандартизованные зна«
чения приведенных выше величин. На кварцевые резонаторы имеются ГОСТы,
содержащие как общие [76], так и частные технические условия [77, 82].
Стандартизация коснулась также методов испытаний и измерений пара-
метро© резонаторов. Здесь очень полезны публикации МЭК [53, 54, 63—66, 71],
в которых основное внимание уделено пассивным методам измерения дина*
мических параметров в П-образноод четырехполюснике. Методы измерения
параметров резонаторов изложены также в отраслевых стандартах [88—93].
В технической литературе нередко вместо родовых обозначений резонаторов
приводят стандартные обозначения срезов ПЭ, содержащие численные
значения углов поворота некоторой исходной ориентации ПЭ. Этой системой обоз-
качений ориентации ПЭ пользуются в основном разработчики и изготовители
резонаторов. Она мало знакома и не всегда требуется потребителям, поэтому
и не описывается в данной книге. Потребителям достаточно использовать
данные, приведенные в табл. 3.3, в которой родовые обозначения резонаторов
снабжены обозначениями ориентации ГГЭ в стандартной форме с численными
значениями угловых поворотов. Описание системы обозначений ориентации ПЭ
имеется в [?, 8, 94].
РАЗДЕЛ 4.
ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ
РЕЗОНАТОРОВ
4.1. Воздействующие факторы
Различные внешние воздействия оказывают существенно разное влияние
¦на частоту и другие параметры резонаторов. Например, воздействие
температуры может вызывать изменения частоты ПР порядка 10~3 ... 10~5, т. е.
примерно такие же, как у обычных LC-контуров. Воздействия на кварцевые
резонаторы достаточно интенсивных механических сил вызывают существенно
57

меньшие изменения частоты. Поэтому потребителю необходимо четко
определить вклад каждого из внешних воздействий в общую нестабильность
частоты и других параметров и, сопоставив их, принять во внимание лишь те,
которые преимущественно определяют нестабильность, обусловленную пределами
воздействий в условиях реальной эксплуатации. Поскольку основным
параметром резонатора является частота, то влиянию 'внешних воздействий на
этот параметр уделяется наибольшее внимание. Следующими по значению
являются реактивные эквивалентные параметры и в меньшей степени потери. В
ряде случаев приходится принимать во внимание влияние внешних факторов на
частоты и сопротивления побочных резонансов. Следует иметь в виду, что ПР
лишь в первом приближении могут считаться линейными, в
действительности их частота и сопротивление зависят от амплитуды, что в ряде случаев
должно приниматься во внимание.
Внешние воздействия могут вызывать как обратимые, так и необратимые
изменения частоты. Иногда после прекращения того или иного внешнего
воздействия первоначальное значение частоты восстанавливается через некоторое
время, например через несколько часов или суток. Учет влияния
дестабилизирующих факторов связан с известными трудностями, обусловленными их
разнообразием не только по виду, но и по интенсивности, направлению
действия, спектру и т. п.
Основным дестабилизирующим (фактором, влияние которого значительно
больше других, является температура. Другим фактором, который вслед за
температурой вносит большой вклад в общую нестабильность частоты
резонаторов, является время. Влияние этого фактора может быть определено
точно только за прошедшее время и приближенно, с некоторой достоверностью,
пропнозировано на будущее. Далее следуют такие факторы, как влажность,
атмосферное давление и разного рода механические воздействия: удары,
вибрации, акустические шумы, силы постоянного направления, например
гравитационные, центробежные и т. п. Частота может изменяться при воздействии
сил электрической и электромагнитной природы, разного рода излучений в
виде потоков элементарных частиц..
Таблица 4.1. Влияние различных внешних воздействий на частоту кварцевых
резонаторов
Внешние
воздействия
Температура
Время
Влажность
Внешнее
давление
Механические
воздействия
Радиация
Уровень
возбуждения
Относительное изменение частоты
резонаторов различных классов
стибальности ?///?10-6
низкой
100...200
10...40
100...1500
1; 0
5...10
15...40
1...10
средней
25
5...10
5...10
0,1
1...3
5...10
0,1- ..1,0
высокой
0,1
0,1...2
0,1..Л
0,1...0,01
0,1...0,5
1...0.1
0,01...0,1
Примечание
Для изменений
температуры порядка 50...
... 100 °С и ±1Х вблизи
точки нулевого
значения ТКЧ, для группы
высокой стабильности
В течение года
При воздействии
относительной влажности
96 ...98% в течение 60...
... 100 сут.
При изменении давления
от нормального до 10 Па
Вибрации 100 ... 1500 Гц
и ускорение 25 g
При воздействии гамма-
излучения
58

О порядке величин нестабильности частоты от различных
дестабилизирующих факторов дают представление данные, приведенные в табл. 4.1. Влияние
каждого фактора различно для резонаторов разных типов и зависит от его
интенсивности и других параметров. Поэтому в таблице приведены некоторые
средние цифры для кварцевых резонаторов, условно разделенных на три
группы: низкой, средней и высокой стабильности. При воздействии некоторых
факторов, 'Например температуры и времени, изменения частоты существенно
нелинейны, что следует иметь в виду при эксплуатации.
4.2. Влияние температуры
Влияние температуры на частоту ПР сложно и многообразно и является
предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований.
Изменения температуры могут вызвать как обратимые, так и
необратимые изменения частоты. Обратимые изменения намного, обычно на несколько
порядков, больше необратимых, поэтому последние принимают во внимание
только для резонаторов высокой стабильности.
Нестабильность частоты, обусловленная изменением температуры в
интервале —50...—100 °С, для большинства типов кварцевых резонаторов с малым
значением ТКЧ составляет обычно E0... 100) · Ю-6 и только для двух-трех
типов может не превышать E... 10) ·10"~6. Поскольку зависимость частоты от
температуры нелинейная, то для узких интервалов изменения температуры
(порядка нескольких градусов или его долей) нестабильность частоты может <быть
небольшой (порядка 10~~7). Основные усилия разработчиков и изготовителей
резонаторов направлены на уменьшение температурной нестабильности частоты
резонаторов, а потребителей — на изыскание методов схемной компенсации
влияния температуры и ограничения пределов ее -изменения.
Для резонаторов из других пьезоэлектриков, имеющих срезы с малым
значением ТКЧ, таких как ТЛ, Л ГС, ТБЛ, температурная нестабильность
частоты оказывается примерно такой же, как и у кварцевых резонаторов, или
немного большей. У резонаторов из пьезокерамики и лиобата лития она
значительно больше и достигает E0 ... 60) ¦ 10~6°С-1
Зависимость частоты от температуры (температурно-частотная
характеристика, ТЧХ) может быть почти линейной, иметь вид примерно .квадратичной
или кубической параболы. Поскольку ТЧХ являются сложными функциями, их
удобно представлять в виде степенной функции
?(Т) = а0 + а1(Т0~Т) + а2(Т0-П + а3(Т0-ТГ+... D.1)
Для большинства случаев достаточно ограничиться рядом с членами не выше
кубического, часто же достаточно только квадратичного члена. В D.1)
коэффициенты аи 02, аз суть производные частоты по температуре
соответствующих порядков, а То—некоторая постоянная температура, выбор которой
произволен. Часто предпочитают для Т0 выбирать значение, для которого
производная df/dT равна нулю.
Ввиду того что ТЧХ резонаторов обычно нелинейны, то общую темпера-
турную нестабильность частоты в заданном интервале температур
определяют как относительное изменение частоты ?/?//, где ?/?—разность частот
между наибольшим и наименьшим значениями частоты в заданном интервале
температур. На рис. 4.1 приведена ТЧХ, показаны заданный интервал изменения
^ис» 4.1. Зависимость частоты
резонатора от температуры: АТ=Т2—
Т\—заданный интервал
изменения температуры; ?/ — наибольшее
изменение частоты в интервале
температуры ??
59

температуры ? ?, наибольшее и наименьшее значения частоты в этом
интервале и их разность ?/?. Потребителей обычно интересует именно значение AfT.
Температурную стабильность частоты резонаторов иногда оценивают
температурным коэффициентом частоты (ТКЧ), представляющим отношение
производной частоты по температуре а/ к частоте. Этот коэффициент 'называют
дифференциальным ТКЧ; он характеризует изменение частоты вблизи
некоторого значения температуры ?а. Дифференциальный ТКЧ оказывается полезным
для оценки температурной нестабильности при термостатирования ПР. Для
оценки нестабильности частоты в широком интервале изменения температуры
иногда используют так называемый средний ТКЧ (ТКЧср), представляющий
отношение (нестабильности частоты в заданном интервале температур к
ширине этого интервала:
ТКЧср^А/т/МГа-Г!),
где ?? и ?2 — крайние значения температур интервала. Средним ТКЧ следует
пользоваться с осторожностью. Только для случая, когда ТЧХ является
линейной, ТКЧ можно использовать для точных расчетов. Поэтому ТКЧ как
параметр оценки нестабильности частоты резонаторов в настоящее время не
используется и рассматривается в качестве справочного параметра для
ориентировочных и сравнительных оценок.
Зависимость частоты от температуры определяется преимущественно
физическими свойствами кристаллического элемента. Однако и другие элементы,
например электроды, элементы крепления и иварцедержатель, влияют на ТЧХ,
в ряде случаев заметно. Кроме того, ТЧХ зависят от электрической нагрузки
резонатора (амплитуды электрического тока в цепи резонатора).
Для одномерных колебаний частота ПЗ может быть достаточно точно
описана формулой i
bf
где k—некоторый постоянный коэффициент; bf — размер ПЗ, определяющий
частоту; ?—плотность кристалла; с — упругий коэффициент (коэффициент
жесткости) для данного вида колебаний и ориентации ПЗ. Температурный
коэффициент частоты для предыдущего выражения (как производная частоты от
температуры) может быть представлен в виде
а/ = 0.5(ас — а ) — а&, D.2)
где ас, ар и а&—соответственно температурные коэффициенты (ТК)
жесткости, плотности и линейного расширения в направлении размера bf.
Температурные коэффициенты линейного расширения и особенно жесткости существенно
зависят от ориентации ПЗ; ТК плотности кристалла не зависит от ориентации
и для кварца равен 36,4· 10~6 1/°С. В зависимости от ориентации ТК
линейного расширения кварца имеет значения A4,3... 7,8) · 10~6 °С-1. В большинстве
случаев ТК жесткости составляет около 100· 10~6 °С~, заметно превосходя
значения ар и а& и определяя в основном значения ТКЧ. Температурные
коэффициенты некоторых упругих постоянных могут изменяться в зависимости
от ориентации не только по вшйРШШ, ШШ Ш зо знаку* что определяет
возможности компенсации и получения малого шт нулевого значения ТКЧ
посредством выбора соответствующей ориентации ПЭ. Как следует из D.2), условие
равенства ТКЧ нулю есть
схс = ар + 2аь. D.3)
Поскольку ТК жесткости и линейного расширения сами являются
сложными функциями температуры, условие D.3) выполняется только при
определенных значениях температуры. Такова в общих чертах приближенная
картина влияния физических параметров пьезоэлектрика и геометрических
характеристик ПЭ на частоту его колебаний. Если колебания не могут
рассматриваться как одномерные, зависимость ТКЧ существенно усложняется и
определяется ТК большего числа геометрических размеров ПЭ и упругих постоянных
60

кристалла. Размеры и материал электродов, проволочных держателей и доз
припоя, посредством которых последние присоединяются к ПЭ, топология
(расположение) мест их присоединения во многих случаях существенно влияют на
ТКЧ, и это влияние должно тщательно учитываться при разработке и
изготовлении резонаторов.
Большинство типов резонаторов с малым ТКЧ имеют ТЧХ, близкие по
своей форме к квадратичной параболе, и зависимость их частоты от
температуры достаточно точно описывается формулой
/(Г) = а2G\-7J. D.4)
Квадратичный коэффициент а2 определяет крутизну параболической ТЧХ,
я его значение используют для расчетов температурной нестабильности.
Значения коэффициентов а2 для резонаторов с квадратичными ТЧХ
приведены в табл. 4.2. На рис. 4.2 показаны квадратичные ТЧХ наиболее
употребительных типов КР. Таблица 4.3 и рис 4.3 предназначены для определения
изменений частоты в зависимости от значения а2 и интервала изменения
температуры. Графики на рис. 4.3 рассчитаны на полную симметрию ТЧХ и
расположение точки нулевого ТЧХ точно в середине интервала. Поскольку
резонаторы имеют разбросы Го, составляющие ±E... 10) °С, при пользовании
графиками следует увеличивать интервал на величину этого разброса.
Резонаторы некоторых типов КР, например БТ, имеют ТЧХ, у которых одна ветвь
параболы заметно круче другой. Для таких резонаторов дают усредненное эна-
Таблица 4.2. Значения квадратичного ТКЧ для кварцевых резонаторов
разных типов
Тип

резонатора
ХБ
ХВ
НТ
ВП
?
Квадратичный
коэффициент
G2X10~8
—3 ... -4
—3 ... —3,5
—3,5 ... —4
—2,5
Тип

резонатора
XT
мт
ДТ, СЛ
ЦТ
Квадратичный
коэффициент
а2Х10~8
—3 ?
— 1,8...—2
—б
Тип

резонатора
1
БП
АП '
БТ
РТ
Квадратичный
коэффициент
?2???-8
—4...—5
—1,7...—2
—4
—0,5 ... —1
Таблица 4.3. Относительные изменения частоты в зависимости от ширины
интервала температур для резонаторов с квадратичной ТЧХ (для разных
значений коэффициента 0,%)
?
о
X j
«3
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
6,0
7,0
8,0
10,0
Относительное изменение частоты ?///?10-6 при изменении температуры
в интервале AT, °C
10 1
0,13
0,25
0,38
0,5
0,63
0,75
0,88
1,0
1,12
1,25
1,5
1,75
2,0
1 2,5
20
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
6,0
7,0
8,0
10,0
30
1,1
2,3
3,34
4,5
5,6
6,8
7,9
9,0
10,7
11,3
13,5
15,8
18,0
22,5
40
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
24
28
32
40
50
3,2
6,3
9,5
12,5
15,8
18,9
! 22,0
1 25,0
? 28,3
1 30,15
37,8
44,1
50,0
1 62,5
60
4,5
9,0
13,5
18,0
22,5
27,0
31,5
36,0
40,5
45,0
54,0
63,0
72,0
90,0
70
6,1
12,3
18,5
24,6
30,8
36,9
43,0
49,2
55,4
60,5
¦ 73,5
? 85,8
? 98,0
1122,5
80
8
16
27
32
40
48
56
64
72
80
96
112
128
I 160
100
12,5
25
37,5
50
62
75
87,5
100
113
125
150
175
200
250
120
18
36
54
72
90
108
126
144
162
180
216
252
288
360
140
24,5
49
73,5
98
122,5
147
171,5
196
220
245
294
343
392
490
160
32
64
96
128
160
192
234
256
288
320
384
448
512
640
61

Рис. 4.2. Квадратичные ТЧХ наиболее
употребительных типов кварцевых
резонаторов
Рис. 4.3. Графики для определения
изменений частоты резонаторов с
квадратичными ТЧХ для разных значений
коэффициента а2 (цифрами указаны
значения а2ХЮ8)
чение коэффидиента а% а в некоторых случаях принимают значение,
рассчитанное по более крутой ветви. Для точных расчетов иногда рекомендуют
приводить значения а2 для обеих ветвей параболы, а положение Т0 смещать от
середины интервала в сторону более крутой ветви с тем, чтобы значения
частоты на краях интервала были одинаковые [4.1].
Иногда резонаторы имеют ТЧХ, которые могут быть аппроксимированы
членами ряда, включающими член третьего порядка. Такие (кубические) ТЧХ
имеют кварцевые резонаторы AT, ИТ, ЖТ, АП. Для резонаторов AT ТЧХ
может определяться из выражения, содержащего первый и третий члены ряда,
поскольку член аг мал и его влиянием можно пренебречь:
f{T)^ax(TQ-~T) + az(TQ-T)\ D.5)
В соответствующих разделах, касающихся описаний конкретных резонаторов,
их ТЧХ будут рассмотрены более подробно. Для практических расчетов
удобнее пользоваться графиками, изображенными на рис. 4.3.
Для резонаторов из других пьезоэлектриков, имеющих срезы с малым
ТКЧ, таких как ТЛ, Л ГС, ТБЛ, температурная нестабильность частоты имеет
такой же порядок, как и у кварцевых резонаторов. У резонаторов из пьезо-
керамики и ниобата лития она значительно больше и достигает F0... 100) X
х10-б °??.
В устройствах с нестабильностью частоты порядка 10~4... Ю-5
потребителю достаточно знать характер изменения частоты в заданном интервале
температур и общую нестабильность ПР. Для резонаторов, предназначенных для
точных и высокостабильных устройств, например КГ с термокомпенеацией,
такой характеристики оказывается недостаточно. Для термостатированных
резонаторов обычно прилагают график ТЧХ или ряд измеренных через 1 ...2°С
значений частоты вблизи температуры термостатировавия. Для резонаторов,
предназначенных для кварцевых генераторов с термокомпенсацией, по
согласованию с потребителем дают либо графики, либо ряд измеренных значений
частоты при определенных температурах, включая экстремальные.
62

4.3. Влияние быстрых изменений температуры на частоту
Описанные выше температурные закономерности справедливы для
относительно медленных изменений (меньших i ... 2 °С в минуту). При быстром
изменении температуры (терм о ударе) наблюдается существенно иной характер
изменения частоты, объясняющийся другим механизмом влияния. Причиной
нестабильности частоты при этом являются градиенты температуры в ПЭ и
механические напряжения, возникающие вследствие градиентов. Опыт показывает,
что изменения частоты зависят от скорости изменения температуры
< dT
Д///=Л—,
где А— коэффициент (термодинамический коэффициент частоты, ТДКЧ),
зависящий от вида и моды колебаний, формы, размеров, ориентации ПЭ и других
конструктивных факторов, dT/dt — производная температуры по времени,
характеризующая скорость изменения температуры. Изменение частоты после
воздействия теплового импульса во времени экспоненциально уменьшается, т. е.
dT
?/// = А -— eTi/% .
dt
Здесь ? — постоянная гвремени, характеризующая воздействие теплового
импульса.
При эксплуатации резонаторов в условиях нестабильности температуры
необходимо учитывать изменения частоты, обусловленные не только
изменениями температуры, но и скоростью ее изменения. Результирующее изменение
частоты с учетом быстрых изменений температуры, по-видимому, может быть
рассчитано из выражения D.1), к которому дооЪвлен член, определяющий
быстрые изменения температуры. В [44] приведена следующая формула для
расчета результирующего изменения частоты:
?/// = ?? ? Г + ?2 ? Та + «з ? ^3 + &?? + ?)? ?.
В этом выражении AT = T(t)·—Г0, а коэффициенты а и а зависят от
физических свойств пьезоэлектрика и конструкции резонатора. При этом
коэффициент а описывает влияние кажущегося изменения угла среза ПЭ, а а —
смещение кривой ТЧХ по оси ординат (частот). На рис. 4.4 показан характер
изменения частоты во времени кварцевых резонаторов AT и ТПД (СЦ) после
включения термостата. Срез ПЭ резонатора ТД характеризуется меньшей чув-
Рис. 4.4. Зависимости изменения
частоты резонаторов AT и ТД
после резкого изменения
температуры (включения термостата)
Рис. 4.5. Температурные аномалии
кривых изменений частоты и
сопротивления резонатора, обусловленные
явлениями связи рабочего и побочного
колебаний
63

ствителыюстью к резким изменениям температуры, меньшим выбросом
частоты и более быстрым ее установлением.
Величина ТДКЧ имеет существенное значение для ПР, используемых в КГ
с термокомпенсацией и термостатированием. Известно, что ТДКЧ может
существенно ухудшать температурную стабильность ТККГ. Недостаточно тонкая
регулировка температуры статирования ТСКГ при большом значении Л
ухудшает кратковременную (стабильность частоты. Кроме того, большой ТДКЧ
увеличивает выброс частоты и время ее установления после включения
термостата. Для КГ высокой стабильности разработан новый тип резонатора — ТД
(СЦ) с малым ТДКЧ. Влияние ТДКЧ на характер изменения частоты
рассмотрено в разд. 16 и 17.
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 формулам D.4) и D.;5). Однако
вследствие неточных расчетов или в результате производственных отклонений
на ТЧХ могут возникать резко выраженные отклонения, искажающие
типичную регулярную их форму. Эти искажения обычно наблюдаются в
относительно узкой области температур A... 5°С), Иногда эти аномалии ТЧХ
'незначительны и не вызывают отклонений частоты за пределы допуска, но
нередко они существенны и являются причиной недопустимо большой
нестабильности частоты. Наиболее часто такие аномалии возникают у резонаторов
сдвиговых колебаний и реже у .низкочастотных резонаторов. У высокочастотных
резонаторов причинами аномалий ТЧХ являются связи ('Преимущественно
механической природы) рабочих колебаний с колебаниями других видов при
близости частот взаимодействующих колебаний. Обычно ТКЧ
взаимодействующих колебаний намного больше ТКЧ рабочих колебаний, что объясняется
относительно узким интервалом температуры, в пределах которого наблюдаются
аномалии.
Частотные аномалии сопровождаются аномалиями сопротивления при одной
и той же температуре (рис. 4.5). При резко выраженных аномалиях, т. е. при
связи с интенсивными колебаниями на ТЧХ появляются разрывы, характерные
для связанных колебаний («скачки» частоты). Если аномальные изменения
частоты остаются в пределах заданной температурной нестабильности и не
отражаются на устойчивости колебаний КГ, их считают допустимыми. Однако такие
небольшие частотные аномалии совершенно недопустимы для резонаторов,
предназначенных для ТККГ.
У низкочастотных резонаторов частотные аномалии возникают не только
в результате связей с побочными колебаниями ПЭ, но и вследствие связи с
колебаниями механических резонансных элементов держателя и корпуса. В
герметичных резонаторах наблюдаются температурные аномалии, обусловленные
изменениями давления и резонансными колебаниями воздуха внутри
оболочки резонатора.
4.5. Зависимость сопротивления резонаторов от температуры
С точки зрения температурной зависимости сопротивления резонаторы
можно разделить на две группы. Для одной группы характерна очень малая
зависимость сопротивления от температуры, для другой характерен заметный
рост сопротивления с повышением температуры. Первую группу составляют
преимущественно высокочастотные резонаторы толщинно-сдвиговых колебаний,
вторую —-низкочастотные резонаторы.
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 явления coj
провождаются аномальными изменениями частоты, искажающими типичный
64

Вид ТЧХ, о чем было сказано выше. В некоторых случаях эти изменения
сопротивления относительно невелики и не представляют какой-либо опасности.
Иногда же они значительны и характеризуются многократным увеличением
сопротивления, что может быть причиной срыва колебаний КГ. Поскольку эти
аномалии наблюдаются в узком интервале температур, они могут оказаться
незамеченными, если испытания резонаторов осуществляют только в отдельных
точках рабочего интервала температур или при непрерывном, но быстром
изменении температуры, при котором изменения сопротивления сглаживаются.
Причины температурных аномалий сопротивления те же, что и причины
частотных аномалий, о которых речь шла выше. В области наиболее сильной
связи вносимое сопротивление возрастает, увеличивая затухание рабочих
колебаний. На рис. 4,5 показан характер таких аномальных изменений
сопротивления резонатора, обусловленных связью с побочными (колебаниями.
В технических условиях обычно указывается наибольшее допустимое
сопротивление во всем диапазоне рабочих температур. Вряд ли такое
требование следует считать достаточным, поскольку оно может допускать
значительные аномальные изменения сопротивления. В таких случаях следует
оговаривать допустимую степень изменения сопротивления от температуры.
Для большинства типов низкочастотных резонаторов характерно
увеличение сопротивления с ростом температуры. Такой характер температурной
зависимости определяется влиянием крепления, в частности припоя,
используемого для крепления проволочных держателей и отводов к ПЭ. У
большинства мягких припоев, содержащих в своем составе свинец, вязкое трение
возрастает с повышением температуры. Если крепление ПЭ осуществляется в
узловых точках смещений, соответствующих пучностям механических напряжений,
влияние крепления на затухание колебаний особенно заметно·, следовательно, и
более выражена зависимость сопротивления от температуры. Влияние припоя
на температурную зависимость сопротивления уменьшают посредством
переноса мест крепления проволочных держателей в точки с меньшими
механическими напряжениями, уменьшением доз припоя или использованием припоев с
малыми потерями на внутреннее трение и малой зависимостью последних от
температуры, например припоев, не содержащих свинец.
У низкочастотных резонаторов температурные аномалии сопротивления
также имеют место вследствие взаимодействия рабочих колебаний с
колебаниями других видов ПЭ и с колебаниями присоединенных к нему деталей
крепления и корпуса. В герметичных резонаторах иногда обнаруживаются
аномалии, обусловленные возникновением стоячих волн газа в оболочке
резонатора.
Для оценки температурной зависимости Ri используют средний
температурный коэффициент сопротивления
ТКС:
*!-*
Rio(T2-Tx)
где R\ и /? — значения сопротивления Ri для крайних температур 7? и Гг;
#ю — значение Ri при нормальной температуре. Для некоторых типов
резонаторов значения Ri для крайних значений температуры различаются в 2 ... 3
раза. При выборе резонаторов необходимо уточнить зависимость сопротивления
°т температуры, которую следует учи- „ -
тывать в последующих расчетах. ;'——
На рис. 4.6 приведены типичные
i-XC резонаторов AT при разных уров- 20\
Ня* возбуждения. При высоком уровне
возбуждения A0 мВт) сопротивление /j\
возрастает и возникают его
неравномерности на некоторых участках
температуры.
Ю
ис. 4.6. Типичные зависимости сопро-
ивления резонаторов AT от температу- -
Ры при разных уровнях возбуждения -60 -40--20 0 20 40 SO
3-45
1
А
7х
ЮмВт
2мВт
Т,°С >:¦
65:

4.6. Температурные характеристики реактивных эквивалентных
электрических параметров кварцевых резонаторов
Параллельная емкость. Зависимость параллельной емкости от температуры
определяется температурными коэффициента'ми диэлектрической проницаем оста
??? кварца и .материалов корпуса, Диэлектрическая проницаемость кварца
очень мало зависит от ориентации пластин; его ??? при увеличении
температуры до 100 °С невелик и в основном определяет характер температурной
зависимости Со. Для вакуумных резонаторов в стеклянных баллонах
температурная зависимость С0 линейна и определяется TKs параллельной емкости,
равным 5·?·0 °С"-1. Значение ??? зависит от конструкции резонатора и типа
ПЭ, иными словами, от соотношения емкостей ПЭ и корпуса и может
отличаться от приведенного выше на ±215 %.
Емкость и индуктивность. Ввиду того, что частота многих типов
резонаторов мало зависит от температуры и связана с эквивалентными параметрами
соотношением BЛ), распространено мнение, что и температурные
коэффициенты эквивалентных реактивных параметров имеют тот же порядок значений,
что и ТКЧ. В действительности эти параметры изменяются от температуры во
много раз больше и их температурные коэффициенты на несколько порядков
больше, чем ТКЧ. Это обстоятельство далеко не всегда принимается в расчет,
поскольку данные о температурных коэффициентах индуктивности и емкости
резонаторов в разного рода руководствах обычно отсутствуют и разработчики
генераторов ими не располагают.
Для резонаторов с малым значением ТКЧ температурные коэффициенты
емкости и индуктивности противоположны по знаку и близки по абсолютной
величине, что определяет незначительные изменения частоты от температуры.
Однако значения этих коэффициентов оказываются на 2 ... 4 порядка больше
значений ТКЧ. Температурные коэффициенты определяют изменение полосы
пропускания фильтров и формы ТЧХ резонаторов от величины расстройки, т. е.
отклонения рабочей частоты генератора от частоты последовательного
резонанса. Температурные коэффициенты емкости и индуктивности в основном
определяются срезом ПЭ и для большинства случаев достаточно точно описываются
зависимостями ;;-4
С1Г = С10[1 + ТС1(Т~20) + ГС2(Г~20J];
bir=L10tl+TL1(r-20) + TL2(T-20)«].
Отклонение реальных температурных характеристик емкости и
индуктивности от указанных закономерностей, имеющих обычно характер пиков или
провалов в относительно узкой области температур, коррелируется с
аномалиями (пиками и провалами) температурных характеристик сопротивления и
частоты.
Значения коэффициентов Тс ? и Тс2 для основных типов кварцевых
резонаторов приведены в табл. 4.4. Основной вклад вносят линейные члены и
коэффициенты Тс\ и Гсг. Для широкого интервала температур (—60 до +1100 °С)
квадратичные члены можно не учитывать.
Если нагрузочная емкость кварцевого генератора имеет температурный
коэффициент Тсн, то, пренебрегая небольшим температурным коэффициентом
параллельной емкости резонатора, отклонение частоты КГ от ее значения при
.20 °С можно рассчитать по формуле
(/t"/o)//d = (/1t-/io)//io + Cio/2(Cb + Co)X ¦ ,
x[i + (ra-rCHcH0-^)(r-20)]. ,·¦
В приведенных выше выражениях приняты следующие обозначения: С0 —
параллельная емкость; Схт—значение емкости С ? npw температуре Г;
Сю—значение емкости С ? при температуре 20 °С; ? си ? с 2, Ты и TL2 —температурные
коэффициенты емкости л индуктивности; /т и /? ? —значения частот (рабочей и
66

Таблица 44. Температурные коэффициенты емкости кварцевых резонаторов
разных типов
Тип резонатора и ПЭ
AT, плоские ПЭ
AT, линзы двояковыпуклые
БТ, плоские ПЭ
У-срез, плоские ПЭ
У-срез, линза плосковыпуклая
ИТ, плоские ПЭ
РТ, плоские ПЭ
ЦТ, прямоугольные ПЭ
ДТ, прямоугольные ПЭ
жт
XT
ХВ, изгибные колебания
ВП
АП
гС1хю-4 «?-1
+2,4
+ 1,3...2,2
—8,3
—4,6
—5,8
+4,0
+2,7
— 13
— 1,0
—0,5
-4,7
—4,8
—3,9
—1,3
гС2хю-7 °с-2
+2
+ 1
—12
—8,5
— 11
• +4
• +2
—24
—3
— Ю
-8,7
— 10
— Ш
—3
fi) при температуре Т; Сн и Сно — значения нагрузочной емкости при
температурах ? и 20 °С соответственно; Гсн—температурный коэффициент емкости
Сн/ &10—-значения емкости Ci при температуре 20 °С [4.2].
4.7. Влияние времени (старение)
Медленные изменения параметров резонаторов по .истечении достаточно
длительного времени, наблюдающиеся в процессе эксплуатации или хранения,
называют старением. Прежде всего под старением резонаторов понимают явление
изменения их частоты как основного параметра, к стабильности которого
предъявляют наиболее жесткие требования. Из других параметров, наиболее
подверженных изменениям с течением времени, являются сопротивление и добротность.
Другие параметры и характеристики обычно изменяются незначительно, «и их
изменения часто можно не принимать во внимание.
Частота резонаторов, если даже внешние механические воздействия
отсутствуют, а температура неизменна, не остается постоянной и изменяется с
течением времени несмотря на отсутствие заметных повреждений конструктивного
характера, например разгерметизации корпуса. Изменение частоты во времени
наблюдается независимо от того, совершает ли он колебания или находится в
покое. Как правило, изменения частоты в первое время после изготовления
оказываются больше, чем в последующее время. Наступает момент, когда
скорость изменения частоты достигает почти постоянного значения,
сохраняющегося в течение последующего времени.
Изменения частоты резонаторов в первые недели или месяцы после
изготовления оказываются заметно больше, чем в последующее время, например
через год после изготовления. Старение существенно зависит от внешних
воздействий, особенно от температуры, и заметно возрастает с ее повышением.
Характеристики старения .или частот но-временные характеристики (ЧВХ) зависят
также от уровня возбуждения, характера и интенсивности других внешних
воздействий. Многочисленные исследования показали, что характеристики старения в
большинстве случаев описываются логарифмической зависимостью [4.3]
Af/f = A\nt — B. D.6)
На ЧВХ можно выделить две области: начальную, характеризующуюся
значительными изменениями частоты, и установившуюся, для которой характерны
заметно меньшие изменения частоты и постоянная скорость ее изменения.
Начальная область ЧВХ обычно определяется несколькими днями, неделями или
3* 67

Рис. 4.7. Частотно-временные
характеристики резонаторов
(характеристики старения)
месяцами и может существенно
различаться у резонаторов
разных типов величиной и
характером изменения частоты. На рис.
4.7 показаны типичные ЧВХ
резонаторов, из которых две
имеют монотонный характер, а две
другие характеризуются
переменой знаков изменений частоты, например частота сначала может повышаться, а
затем понижаться или наоборот.
Порядок изменений частоты вследствие старения может быть существенно
различным для резонаторов, из разных пьезоэлектриков, конструкций,
технологии изготовления и назначения. Так, прецизионные кварцевые резонаторы для
высокоета!бильных KF могут иметь показатели старения порядка Ю-8 в год, в
то время как пьезокерамические резонаторы могут характеризоваться такими
показателями, как 10~4... 10~3 в год. Долговременную нестабильность частоты,
обусловленную старением и определяемую за длительное время, не следует
смешивать с кратковременной нестабильностью частоты, наблюдаемой за время
"порядка нескольких секунд или минут и обусловленной шумами самого
резонатора.
Старение—сложный процесс, обусловленный влиянием многих
конструктивных и технологических факторов, выделить из которых в каждом случае
определяющие ход ЧВХ трудно. Некоторые факторы одинаково влияют на частоту,
другие же оказывают противоположное влияние, чем и объясняется различие
знаков изменения частоты ЧВХ. Очень малое старение отдельных резонаторов
объясняется компенсацией, обусловленной факторами, действующими на
частоту противоположно друг другу.
Старение представляет некоторый процесс стабилизации состояния колеоа-
тельной системы ПР, при котором многие факторы, определяющие старение,
приходят в равновесное состояние. Например, поверхность кристаллического
элемента, нарушенная процессами механической обработки, является
источником внутренних напряжений, которые медленно уменьшаются вследствие
релаксации. Нанесенные на поверхность ПЭ пленочные электроды также
являются причиной возникновения напряжений в нем, которые в результате
процессов, происходящих в электродной пленке (рекристаллизация, диффузия),
релаксируют и изменяются, вызывая изменение частоты ПР.
Существенны явления сорбции и десорбции газов и паров на поверхности
" ПЭ. Расчеты показывают, что удаление с поверхности ПЭ мономолекуляр-
иого слоя вещества способно вызывать изменение частоты КР на частоту
20 МГц порядка 5-Ю-6. Из этого примера видно, насколько большое
значение имеет чистота и отсутствие всевозможных загрязнений в производстве
ПР.
Знак изменения частоты при старении зависит в этом случае от того,
увеличивается или уменьшается масса продуктов на поверхности ПЭ. Например,
понижение частоты часто является следствием осаждения на ПЭ различных
загрязнений, содержащихся на поверхности оболочки, а также поглощением паров
воды, проникающих внутрь корпуса резонатора вследствие недостаточной его
•герметичности. У вакуумных резонаторов увеличение давления внутри корпуса
вследствие проникновения воздуха при плохой герметичности корпуса также
^является причиной понижения частоты.
Крепление ПЭ в держателе вызывает в последнем механические кал ряже-
-ния поэтому различные изменения в креплении и держателе, вызывающие
изменения механических напряжений в ПЭ, приводят и к изменению частоты
ПР Припои и клеи, посредством которых осуществляется крепление ПЭ, не
являются материалами с о^ень стабильными во времени механическими свой·
Л8

гва]ми, и крепление ПЭ, таким образом, вносит свой вклад в старение ПР.
Следует иметь в виду, что всевозможные внешние воздействия (тепловые, ме-
хайические, режимные) могут нарушать равновесное состояние колебательной
системы ПЭ, после чего ход кривой старения может существенно изменяться.
Это объясняется тем, что некоторые определяющие старение факторы
достигают своего равновесного состояния быстро, другие же требуют для этого
более длительного времени.
Для резонаторов толщинных колебаний влияние явлений сорбции и
десорбции квадратично возрастает с уменьшением -толщины ПЭ. Поэтому резонаторы
на высокие частоты имеют худшие характеристики старения по сравнению с
резонаторами на более низкие частоты.
Потребителей может интересовать величина изменения частоты как за все
время эксплуатации или хранения, так и за отдельные отрезки времени (месяц,
год)· Поэтому в технических условиях в качестве характеристики старения
могут указываться гарантированные величины изменения частоты за весь срок
эксплуатации или хранения (обычно 10 ...12 лет) либо величины
установившейся скорости изменения частоты (обычно определяемой за годичный срок)'.
Часто указывается изменение частоты за первый год эксплуатации или
хранения.
В качестве показателей старения используются относительные изменения
частоты за сутки, неделю, месяц и год, представляющие, таким образом,
средние скорости изменения за один из указанных отрезков времени. При
монотонном характере изменения частоты скорость старения определяют по формуле
где U и /? — частоты, измеренные соответственно в конечныд t% и начальный
U моменты времени. Скорости старения соответственно называют суточным,
недельным, месячным и годовым старением.
Суточное старение, достоверность определения которого невелика при
измерениях за сутки, получают в результате испытаний за более длительный
срок и соответствующего пересчета.
Некоторые специалисты считают, что измерения нестабильности частоты
за сутки отражают скорее колебания температуры, нежели влияние времени.
Достоверные данные о суточном старении обычно получают за более долгие
сроки (неделя, месяц, а иногда и год).
Следует иметь в виду, что старение как параметр данного образца точно
никогда не известно, если не проводилось испытание в течение достаточно
долгого времени. Изготовитель обычно может сообщить только
среднестатистическую величину старения, определенную в результате испытаний
контрольной партии резонаторов. В зависимости 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,
указываемые в технических условиях, скорее близки к максимальным, характерным
Для данного типа, чем к средним значениям. Величины старения зависят от
типа резонаторов и различаются весьма существенно на несколько порядков.
Для герметичных резонаторов с паяным соединением корпуса годовое старение
Достигает — A5 ... 30) · Ю-6, для вакуумных резонаторов широкого применения
оно составляет C ... <5) · 10~6, а для прецизионных резонаторов A ... 2)-10~ и
Редко 5-Ю-8.
Потребитель часто сталкивается с тем обстоятельством, что приводимые в
разных источниках данные о старении резонаторов того или иного типа
оказываются меньше тех, которые изготовители указывают в технических
условиях. Это объясняется тем, что в технических условиях устанавливают нормы,
лиз-кие к максимальным величинам старения, в то время как в других источ-
иках приводят либо средние величины, которые меньше максимальных, либо
? ктические данные для отдельных, часто лучших, образцов.
основными причинами старения резонаторов являются:
изменение механических напряжений в ПЭ и связанных с ними элементах
крепления;
69

изменение массы ПЗ, обусловленное преимущественно явлениями сорбции
или десорбции газов поверхностью ПЗ или конденсацией на ней паров
различных веществ или продуктов загрязнения;
структурные изменения материалов ПЗ и присоединенных к нему
элементов;
нарушения герметичности и обусловленные этим изменения давления
внутри оболочки резонатора и проникновение влаги.
Повышение температуры заметно ускоряет процессы старения и
увеличивает изменения частоты. С увеличением мощности рассеяния старение также
возрастает. Особенно резко влияние этого фактора возрастает при мощностях,
близких или превышающих предельно допустимые. Старение, как показали
соответствующие испытания, проведенные на разных предприятиях, заметно
зависит от температурного режима нагрузки резонаторов. Например,
повышение температуры от нормальной до 80 °€ увеличивает старение большинства
резонаторов на порядок. Испытания на старение вакуумных резонаторов типа
С на частоту 20 МГц в разных режимах показали, что ЧВХ в режиме
хранения (при 20 °С, без электрической нагрузки) имеют другой знак, чем ЧВХ в
рабочем режиме или при хранении при повышенной температуре. Так
же как повышение температуры, превышение допустимой .мощности
рассеяния резонатора резко увеличивает его старение. По другим данным
старение в режиме хранения и при нормальном режиме работы
происходит одинаково, в связи с чем испытания на старение
рекомендуется проводить в режиме хранения. С повышением температуры
первоначальный период ускоренного изменения частоты заметно сокращается, в
связи с чем испытания на старение рекомендуется проводить при стандартной
температуре 85 °С. Считают, что испытания в течение 4!5 дней при такой
температуре эквивалентны годичному испытанию при нормальной температуре.
Характеристики старения резонаторов одинакового типа могут различаться
у разных изготовителей не только по величине, но и по знаку изменения
частоты. Это объясняется различиями в технологии и состоянии технологической
дисциплины.
Предприятия-изготовители обязаны вести систематические испытания
резонаторов как на ускоренное, так и на естественное старение в нормальных
условиях (в режимах хранения и работы). Данные этих испытаний потребитель
вправе требовать от изготовителя для подтверждения гарантий, указанных в
ТУ. Для уменьшения старения и обеспечения гарантий на старение
изготовители обычно осуществляют ускоренное старение.
Сопротивление и добротность. С течением времени наблюдается увеличение
сопротивления и соответствующее уменьшение добротности. Чаще всего
изменения этих параметров обусловлены нарушением герметичности, изменением
давления внутри^и проникновением влаги. Величины изменений обычно
невелики (несколько процентов), но у некоторых типов резонаторов могут
достигать 100 % и более.
4.8. Влияние влажности
Влажность не только оказывает сильное воздействие на частоту и другие
параметры ПР, но может быть и причиной катастрофических отказов.
Поэтому современные типы резонаторов имеют герметичную, вакуум-плотную
оболочку (корпус), ладежно защищающую внутренний объем и расположенный в нем
ПЭ от проникновения и воздействия влаги. Внутренний объем оболочек либо
заполняют сухим инертным газом или воздухом, либо создают внутри оболочки
разрежение (вакуум). Эти мероприятия должны, казалось бы, исключить
влияние влажности, однако не все конструкции корпусов обеспечивают нужную
степень герметичности. Кроме того, влага внутри корпуса резонатора может
оказаться вследствие нарушений технологии при изготовлении резонатора.
Нарушение герметичности в процессе эксплуатации .может вызывать значительные
¦необратимые изменения (понижение) частоты, аномалии температурных
зависимостей частоты и сопротивления (добротности) и, наконец, полный выход и3
строя резонаторов. Во влажной среде имеет место взаимодействие влаги с
70

лектродными покрытиями и контактными соединениями резонатора, вследет-
3не коррозии и разрушения которых могут происходить полные отказы.
В Проверка герметичности партии резонаторов в корпусах типа Б показала,
??? около 80 %, т- е- основная их масса, не о^бладает вакуум-юлотаостью, хотя
удовлетворяет требованиям на герметичность, проверяемым «пузырьковым»
[етодом. Дальнейшие исследования показали, что у вакуум-плотных резона-
торов старение в среднем в 3 раза меньше, чем у не вакуум-плотных.
Механизм влияния влажности на частоту и другие параметры резонатора
объясняется поглощением влаги поверхностью ПЭ, следовательно,
увеличением массы и понижением частоты его колебаний. Одновременно наблюдается m
увеличение затухания. Количество влаги, поглощаемое поверхностью ПЭ,
зависит как от степени влажности среды, так и от состояния поверхности ПЭ.
Шлифованные, следовательно, достаточно шероховатые ПЭ обнаруживают
большую чувствительность к влажности, чем полированные, поверхности
которых более гладкие. Разного рода загрязнения поверхности ПЭ также
являются причиной повышенного влагоиоглощения. В присутствии влаги могут
происходить химические процессы, например окисление, вызывающие необратимые
изменения частоты. С изменением температуры изменяется относительная
влажность среды и влагоиоглощение. 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 амплитуды и даже срыва колебаний КГ. Изменения частоты при
этом могут намного превышать заданную норму. После конденсации влаги
первоначальное значение частоты при нормальной температуре
восстанавливается через некоторое время, иногда через несколько часов или даже суток,
пока внутри корпуса (резонатора не установится равновесное состояние.
Наличие влаги внутри корпуса может быть одной из причин так называемого
температурного гистерезиса, т. е. несовпадения ТЧХ, снятых при повышении и
понижении температуры.
Герметичные резонаторы, например, типов Б, ? и др. при длительной
эксплуатации в условиях повышенной влажности следует считать недостаточно..-
надежными. В условиях повышенной влажности эти резонаторы следует
располагать либо в герметичных отсеках аппаратуры, либо © герметичных
корпусах кварцевых фильтров и генераторов. Заметно повышает влагоустойчивость
резонаторов обработка наружной поверхности корпусов анаэробными
полимерами. Контроль герметичности только на наличие больших течей
«пузырьковым» методом недостаточен для резонаторов, длительно работающих в
условиях повышенной влажности. Заметное влияние влажности внешней среды
обычно проявляется при ее воздействии через 30... 60 суток. Различные типы
корпусов обнаруживают при этом разную скорость проникновения влаги внутрь
корпуса. Длительное воздействие влажности, по-видимому, является наиболее
надежным и чувствительным методом проверки качества герметизации
резонаторов. Даже вакуумные резонаторы в стеклянных колбах при длительном
воздействии влаги (порядка 60 суток) обнаруживают заметные изменения
частоты, превышающие нормы на старение, несмотря на то, что заметных
изменении степени вакуума внутри колбы не наблюдается. Для резонаторов,
используемых в аппаратуре ответственного назначения, требования к герметичности,
следует формулировать как вакуум-плотность и использовать соответствующие
методы ее проверки. ч
4.9. Влияние атмосферного давления
влия СТ°Та пьезюэлемента зависит от давления окружающей его атмосферы,
При нне изменения которого не только заметно, но и значительно и с ним
зыва°ДИТСЯ очятаться· Пьезоэлемент, совершающий колебания в атмосфере, вы-
измен* колебания и окружающего его объема газа. При изменении давления
банияяеТся и неличина «соколеблющейся» массы газа (совершающей
колечко льк\^0В,МеСТН0 с ^)> что я,ВЛЯ1ется причиной изменения частоты ПЭ. По-
У колебания распространяются и рассеиваются в окружающей среде,
71

Рис. 4.8. Искажение ТЧХ
резонатора изгибиых колебаний:
1 — при удалении воздуха из корпуса;
2 — после заполнения корпуса возду!
хом при нормальном давлении
имеет место акустическое
излучение л затухание колебаний ПЭ
возрастает. Для уменьшения
затухания и устранения влияния
изменений давления на частоту
из корпуса резонатора обычно
эвакуируют воздух. Влияние
давления газа на частоту и
затухание завиаит от 'многих факторов:
вида колебаний, размеров я
формы ПЭ, частоты, а также
уровня затухания, определяемого
другими причинами. На частоту ПЭ
изшбных, продольных и крутильных колебаний изменение давления оказывает
большее влияние, чем на частоту ПЭ сдвиговых колебаний. Разрежение
воздуха в''баллоне от нормального до 10 Па вызываем изменение частоты
порядка Ю-5... Ю-4, а на самых низких частотах даже 10~3. В вакуумных резона·
торах влияние внешнего давления исключается практически полностью. В
герметичных резонаторах влияние изменений внешнего атмосферного давления
полностью не исключается. Давление внутри корпуса зависит также от
температуры и оказывает влияние на частоту газонаполненного резонатора.
Поэтому ТЧХ вакуумных и газонаполненных резонаторов могут различаться [4,4].
В герметичных' резонаторах могут происходить нежелательные явления,
обусловленные отражением воздушных волн от стенок баллона и
возникновением стоячих волн. При этом наблюдаются изменение затухания и нерегулярные
изменения ТЧХ (см. рис. 4.8). 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.
При недостаточной жесткости корпуса -изменение внешнего давления
вызывает его деформацию и связанного с ним ПЭ, что также может быть
причиной изменений частоты, которые следует учитывать у выюошстабильных ПР,
4.10. Механические силы и их влияние
v Если бы ПР представляли идеальные линейные устройства, то «и внешние,
ни внутренние 'механические силы не влияли бы на частоту и другие их
параметры. Опыт показывает, что различные силовые воздействия, которым ПР
подвергаются в процессе производства, транспортировки, испытаний, вызывают
изменения частоты во время воздействия. Интенсивные воздействия вызывают
и необратимые изменения частоты, которые могут превышать заданные нормы.
В отличие от других пассивных компонентов ПР имеют ограниченную
механическую прочность, обусловленную особенностями крепления ПЭ.
Повышению механической прочности ПР постоянно уделяется большое внимание, и
основные успехи в этом направлении достигнуты на пути их миниатюризации.
Считается, что основной причиной влияния механических сил на частоту
является нелинейность упругих свойств пьезоэлектрика. Изменения частоты ПР
вызывают как различные по характеру внешние силы, так и внутренние силы
(напряжения), возникающие в ПЭ. Определяющий частоту ПР пьезоэлемент
всегда находится под влиянием как внешних сил, так и внутренних
напряжений. Даже когда ПР находится в покое, на него действуют сила тяжести я
атмосферное давление. Внутренние напряжения — постоянно действующий на
ПЭ фактор. Имеется несколько основных причин, их вызывающих.
Внешние силы могут быть постоянными (как сила тяжести), медленно
?'2

меняющимися во времени, периодическими ('вибрации), импульсными и др.
Классификация внешних механических воздействий стандартизована.
Внутренние напряжения в ПЭ и деталях, которые следует рассматривать
ак часть его колебательной системы, имеют следующее происхождение:
(напряжения в пьезозлектрике, возникающие при росте кристаллов или
спекании пьезокерамики;
напряжения преимущественно в поверхностных слоях ПЭ, обусловленные
операциями механической и термической обработки;
напряжения контактного происхождения, вызванные нанесением на
поверхности ПЭ пленочных покрытий (электроды, контактные площадки и пр.) и
присоединением сосредоточенных элементов (настроечных масс, припаянных
проволочных держателей);
напряжения в присоединенных элементах (держателе).
Интенсивные внутренние напряжения возникают в ПЭ при электрическом
возбуждении ПР на резонансной частоте. Они могут быть очень велики и
вызывать как разрушение ПЭ, так и возникновение дефектов в нем и
присоединенных к нему элементах (см. разд. 22).
Влияние внешних сил на частоту ПЭ оценивают величиной силового
коэффициента частоты (СКЧ) — отношения изменения частоты на единицу силы.
Силовой эффект явился предметом подробных исследований, в результате
которых были установлены основные его закономерности. Изменения частоты
пропорциональны действующим на ПЭ силам, меняют знак при изменении
направления силы на противоположный, а также зависят от направления силы
относительно осей кристалла. Сила, действуя в разных направлениях
относительно кристаллографических осей, вызывает изменения частоты разной
величины и разных знаков. Существуют направления, по которым действие силы
не вызывает изменений частоты (нулевой СКЧ), и, наоборот, имеются
направления наибольшей силовой чувствительности. Результаты этих исследований
позволили разработчикам создать более устойчивые к воздействию сил ПР, а
также новый класс ПР, чувствительных к механическим воздействиям, из-вест-.-
ных как пьезорезонансные датчики механических величин [Н].
Изменения частоты в зависимости от интенсивности механических
воздействий могут носить как обратимый, так и необратимый характер. В последнем
случае изменения частоты обусловлены либо остаточными деформациями
системы крепления, вследствие которых изменяется жесткость присоединенных к
кристаллу элементов, либо остаточными механическими напряжениями в ПЭ.
Изменения частоты резонатора соответствуют характеру изменения
интенсивности и частоты внешнего воздействия. Величина обратимых изменений
частоты зависит от направления внешнего воздействия. Изменяя положение
резонатора относительно направления внешнего воздействия, можно определить
направления минимальных и максимальных изменений частоты. При наличии
достаточно чувствительной частотно-измерительной аппаратуры можно
установить, что относительные изменения частоты резонатора имеют порядок 10~8...
·» Ю-9 в зависимости от положения в пространстве относительно направления
силы тяжести.
'При оценке влияния вибрационных нагрузок необходимо учитывать
резонансные свойства системы крепления ПЭ. В зависимости от частоты внешнего
воздействия и формы ударного импульса изменения частоты резонатора могут
различаться на два и даже на три порядка. При совпадении резонансной
частоты конструкции с частотой внешнего воздействия обратимые изменения
частоты возрастают в QK раз, где QK—добротность системы крепления ПЭ,
составляющая обычно 30 ... 100. При длительности ударного импульса ти, при
которой FptH = l, изменения частоты могут быть примерно в 2 раза больше,
чем при ти, отвечающей соотношению ^рти>10, где ^р — резонансная частота
конструкции крепления ПЭ. Если изменения частоты резонатора в дорезонанс-
н°и области составляют, как правило, A ... 10) *10~9 g~\ то в резонансной
области частот вибраций относительные изменения частоты резонаторов достигают
A(Ь7 ...10-6) g-i.
Изменения частоты резонаторов при воздействии акустических шумов при
Уровне звукового давления 130 дБ составляют 1?-7... 10. При изменении
Уровня звукового давления на 20 дБ уходы частоты изменяются на порядок.
73

Чувствительность резонаторов а ,к разным видам механических воздействий
можно считать равными при условиях: аЛин = <2виб при аВИб-*~0 и аЛин—%д
при %ж—оо. Поэтому достаточно знать динамические характеристики системы
крепления ПЭ и провести иапытания для одного вида воздействий, например
вибраций, чтобы получить представление об устойчивости резонатора к
другим видам механических воздействий.
Механическая прочность резонаторов. Проволочное крепление ПЭ
большинства современных типов резонаторов определяет ограниченную,
относительно невысокую механическую прочность. Крепление ПЭ осуществляется
посредством небольшого числа тонких упругих проволок, припаянных к
металлическому покрытию ПЭ. Наиболее слабым местом крепления является место пайки
к покрытию. Диаметр проволок обычно составляет 0,2... ОД мм. Для
увеличения прочности соединения проволок с ПЭ на их концах высаживают
головку, подобную головке гвоздя, что увеличивает площадь припайки до 0,3 ...
... 0,6 мм2 и соответственно прочность соединения. Увеличение диаметра
проволок и головок ухудшает электрические характеристики и для повышения
прочности не может быть рекомендовано.
Интенсивные механические импульсы ((удары, толчки и т. п.) случайного
происхождения или возникающие в процессе эксплуатации могут вызывать
отрыв паяного соединения или обрыв проволок. Если крепление не обрывается,
то возникают остаточные деформации элементов крепления (изгиб проволок,
изменение формы паек), вызывающие значительные необратимые изменения
частоты и увеличение затухания, часто превышающие пределы установленных
допусков.
Периодические механические воздействия (вибрации и многократные удары)
также могут быть причиной разрушения крепления, однако несколько иного
характера. Обычно обрывы проволок происходят в местах их соединения с
кварцедержателем (стойками или консолями). Обрывы происходят в местах
наибольших механических напряжений и носят усталостный характер.
Большинство типов резонаторов способно выдерживать однократные удары
интенсивностью 100 ... 150 g, а некоторые типы до 1000 g.
Механическая прочность низкочастотных резонаторов с массивными ПЭ
обычно заметно ниже прочности высокочастотных, масса ПЭ которых
намного меньше, а жесткость системы крепления и прочность соединения ПЭ с
держателем больше.
Потребителям следует учитывать ограниченную механическую прочность
резонаторов, стараться не допускать случайных интенсивных механических
воздействий при установке, испытаниях аппаратуры и ее эксплуатации. При
жестких условиях эксплуатации в подвижной аппаратуре желательно
использовать амортизирующее крепление, а в аппаратуре, подвергающейся вибрациям,
не следует осуществлять крепление к недостаточно жестким элементам
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
получены и потребителями в результате соответствующих испытаний. Следует
иметь в виду, что ресурс прочности к вибрационным воздействиям у
резонаторов многих типов невелик, поэтому резонаторы не следует без
необходимости подвергать длительным испытаниям на вибрации. Недопустимы
длительные воздействия вибраций на частотах, близких к частотам собственных
колебаний системы крепления ПЭ, так как в этих случаях резонаторы могут
выйти из строя или в значительной мере израсходовать ресурс прочности.
Анализ отказов резонаторов у потребителей показывает, что в 90 % случаев
причинами отказов является неосторожное обращение при монтаже резонаторов и
разного рода испытаниях приборов. Потребители обязаны инструктировать свой
производственный персонал о необходимости осторожного обращения с
резонаторами.
Силовые воздействия, как внешние, так и внутренние, могут быть
причинами различных эффектов, которые часто называют «тонкими». К их
числу относятся температурный гистерезис частоты, обусловленный релаксацией
74

механических напряжении, зависимость частоты от рассеиваемой мощности,
возникновение интермодуляцнонных сигналов, частотная модуляция сигнала КГ
частотой внешних вибраций, возникновение побочных резонансов,
обусловленных нелинейными параметрическими явлениями в ПЭ, и др. Некоторые из этих
эффектов более подробно описаны в разд. 16, 17, 22.
4.11. Радиационные воздействия на кварцевые резонаторы
Космические лучи, радиационные пояса планет солнечной системы,
излучения ядерных реакторов определяют широкий круг вопросов, связанных с
повышением радиационной стойкости КР и КГ.
Многочисленные работы по непрерывному и импульсному воздействию
излучений «а КР в генераторах выявили нестационарные уходы частоты,
превышающие все нормы, изменение сопротивления, а также срывы колебаний на
время от микросекунд до секунд и более. Эти изменения пытались объяснить
влиянием конструкции КР, материала электродов, степени вакуума, окислением
электродов герметизированных резонаторов и др. Но преобладающей причиной,
как выяснилось, является примесный состав и структурное несовершенство
кристаллов.
Радиационные воздействия разделяют на непрерывные и импульсные.
Непрерывное воздействие характеризуется видом излучения и дозой, получаемой
образцом. При импульсном воздействии добавляется еще одна существенная
характеристика — мощность дозы.
В настоящем разделе использованы следующие аббревиатуры:
ИИ—ионизирующее излучение
. ИИИ—импульсное ионизирующее излучение .- >г
.<: ПК — природный кварц
,..,, Р.Д — радиационные дефекты
PC — радиационная стойкость
• GK — синтетический кварц
ОКО —синтетический кварц очищенный (электролизом)
Воздействие непрерывного ионизирующего излучения на резонаторы в
диапазоне доз до 107 ... 10s рад приводит к стационарным (точнее,
квазистационарным) уходам частоты и изменению (увеличению) сопротивления. На рис. 4.9
показано влияние электронного излучения на КР из природного кварца (ПК) и
синтетического кварца (СК) [4.5]. Характерны следующие особенности: уходы
частоты разного знака с начала воздействия, насыщение изменения частоты
при дозах 107 рад A015 е~ см~2), повышение частоты при больших флюенсах
Рис. 4.9. Изменение частоты
резонаторов АТ5 E МГц) из кристаллов
различного происхождения под воз-
Действием потока электронов A
МэВ)
Рис. 4.10. Изменение частоты
резонаторов ??5 E МГц) из кристаллов
разного происхождения под
воздействием потока электронов A0 МэВ)
О — природный кварц; D — синтетический
кварц; ? — очищенный синтетический
кварц
75

электронов. Авторы пытались учитывать примесный состав кристаллов, но
разнообразие примесного состава помешало найти отчетливую связь. И только
искусственно увеличив примесь в одном образце, они обнаружили резкое
уменьшение частоты при облучении.
Применение синтетических кварцев очищенных (СКО) для изготовления
КР приводит к значительному уменьшению уходов их частоты. На рис. 4.10
приведены обобщенные результаты влияния ИИ для ПК, СК и СКО
[4.6]. Резонаторы, изготовленные из ПК, чаще всего имеют отрицательные
уходы частоты, до —A0—20) · 10—6, из ОК — положительные уходы примерно
такой же величины. Изменение частоты КР из СКО обычно менее Ю-7.
Наблюдаются также изменения сопротивления резонаторов на 20... 50% для ПК
я СК и отсутствие такового для СКО.
Причины подобного поведения КР связаны с модификацией дефектных
центров кристаллов. Отрицательные уходы частоты объясняются релаксацией
кристаллической решетки в окрестности модифицированного примесного дефекта
и соответствующего изменения упругих постоянных кристалла.
Положительные изменения частоты у КР из СК с начала воздействия
непрерывного гамма-излучения окончательного объяснения пока не получили.
Одна из моделей была предложена недавно [4.7]. Авторы нашли, что в
отличие от оптически чистого ПК кристаллы низкого сорта, как и ОК, вызывают
положительные уходы частоты, начиная с малых доз гамма-излучения.
Искусственно увеличивая структурное несовершенство кристаллов бо!мбарди|ровкой
нейтронами (флюенсом 1012 см-2), они получили увеличение положительного
сдвига частоты КР при дальнейшем воздействии гамма-излучения. Тот же
эффект вызывается термической закалкой кристаллов. Различные собственные
дефекты кристаллов (вакансии, кластеры вакансий, дислокации и т. п.),
захватывая при облучении носители заряда, увеличивают значения упругих
постоянных в окрестности дефекта, что соответственно повышает резонансную
частоту. Положительный уход частоты, по-видимому, может служить критерием
структурного совершенства кристаллов.
Электроочистка кристаллов высокого структурного совершенства и с
малым количеством примесей, захваченных при выращивании, дает повышение
радиационной стойкости (PC) резонаторов на 1 ... 2 порядка. Но получение
такого кварца сопряжено с известными трудностями, результаты не всегда
однозначны и воспроизводимы. Часто даже очищенные кристаллы вызывают
значительные уходы частоты, нет воспроизводимости в одной партии. Для
окончательной гарантии необходимо контрольное облучение КР. Эффективный и
Рис. 4.11. Влияние повторных
воздействий на резонаторы AT A0 МГц)
О — первое воздействие гамма-излучения
до 2,5· 104 рад; ? — второе воздействие
через два дня до 105 рад; ? — третье
воздействие через два дня до 10s рад
Рис. 4.12. Дрейф частоты
резонатора АТ5 E МГц) (из
СКО) до и после воздействия
потока электронов 10 МэВ
76

рентабельный метод контроля на стадии кристаллических блоков пока не
найден.
Предварительное облучение полезно и в качестве радиационной закалки
КР. На рис. 4.11 показано влияние повторных облучений на частоту КР из
СКО [4.8]. Предварительное облучение дозами 106 ... 107 рад в несколько раз
уменьшает уходы частоты и .может быть рекомендовано для технологического
применения. Необходимо отметить, что одна радиационная закалка без
применения СКО не является гарантией радиационной стойкости КР, особенно
при воздействии импульсного ионизирующего излучения (ИИИ), так как
возможны изменения частоты с течением времени. Менее заметен этот эффект при
облучении КР из СКО, но и здесь в течение десятков дней может
происходить восстановление частоты (рис. 4.12).
В настоящее время идут настойчивые поиски оптимальных условий
выращивания и элект;р о очистки кристаллов, а также методов контроля качества
кварца. Американские фирмы Sawyer Research Products, Piezo Crystal
Company, Motorola и другие выращивают кварц с малым содержанием примесей
А1, Na, Li (менее Ю-6). Разработанные этими фирмами автоматизированные
системы по электроочистке подобного кварца позволили довести уровень
радиационной стойкости КР до величин менее 5· Ю-8 при дозе до 107 рад
непрерывного ИИ.
Влияние импульсного ионизирующего излучения на параметры резонаторов.
Основное отличие имйульсного воздействия ИИ от непрерывного заключается
в кинетике процессов, происходящих в материале КР и вызывающих
соответствующее нестационарное изменение параметров КР и КГ. Наблюдаются:
срывы колебаний, резкое увеличение сопротивления сразу после импульса,
нестационарные уходы частоты. Главная причина — (большая .мощность поглощенной
дозы (при Р>109 рад/с). В настоящее время наиболее вероятная модель
процессов, происходящих в КР при воздействии ИИИ, выделяет следующие
основные явления.
Фотопроводимость, Комптоновские электроны, возникшие в кварце при
мощном излучении, быстро расходуют свою энергию на образование электрон-
но-дыро'чных пар. В результате заселения валентной зоны и зоны
проводимости носителями заряда происходит «металлизация» кварца (омическое
сопротивление вследствие наведенной проводимости падает до нескольких ом при
Р=Ю12 рад/с). Шунтирование КР приводит к срыву колебаний КГ.
Наведенная проводимость пропадает после окончания импульса с постоянной
затухания около 5 не. Такие срывы колебаний характерны для любых резонаторов
при достаточно большой мощности импульсного ионизирующего излучения
(ИИИ), Восстановление генерации определяется характеристикой цепи
генератора для переходного процесса и продолжается обычно 5 ...10 мкс. Если
генератор не работает более 15 мкс, это уже нельзя отнести на счет наведенной
проводимости.
Примесная проводимость. Длительные срывы колебаний КГ вызываются
резким увеличением переходных акустических потерь в кристалле при ИИИ,
что эквивалентно увеличению сопротивления КР. Кварцевый генератор с
недостаточным запасом по возбуждению срывает колебания на время, в течение
которого сопротивление превышает предел, определенный, например, АРУ.
Обнаружить это явление можно прямым измерением акустических потерь,
измеряя постоянную времени затухания свободных колебаний. Более
распространенный метод—измерение выходного напряжения АРУ кварцевого генератора,
что дает возможность по калибровочной кривой оценить сопротивление КР.
На рис. 4.13 показаны изменения сопротивления КР на 32 МГц после
действия импульса излучения. Используются ПК, СК и СКО. Длительность
импульса излучения 70 не. Характерны увеличение сопротивления для ПК и СК,
измеренное через 0,02 с после действия импульса, и последующая релаксация
в течение 10 с. У резонаторов из СКО изменений сопротивления не
обнаруживается [4.9]. Исследуя резонаторы из ПК на частоту 5 МГц, эти же
авторы получили увеличение сопротивления в 30 раз и срывы колебаний на
несколько секунд несмотря на 30-кратный запас по возбуждению КГ.
В основе механизма переходных акустических потерь при воздействии НИИ
лежит долговременная примесная проводимость, следующая за скоротечной
77

0,0/ OJ 1 /О /DO t,c
Рис. 4.13. Изменения сопротивлений
резонаторов AT C2 МГц) из разных
кристаллов после действия
импульса тормозного рентгеновского
излучения 4-Ю4 рад, 70 не
Рис. 4.14. Переходные изменения
частоты резонаторов АТ5 E МГц)
после действия импульса тормозного
рентгеновского излучения
(кристаллы марки «Premium-Q» фирмы
SARP)
собственной фотопроводимостью. Она определяется миграцией щелочные
ионов, освободившихся во время импульса от А1-центров, и миграцией
протонов (чаще навстречу), образующихся из различных центров.
Акустическая энергия сдвиговых колебаний кристалла тратится на
освобождение ионов из промежуточных ловушек и активационное движение по ка-
налам. Время проявления и величина примесной проводимости зависят от па·
раметров этого диффузионного процесса, количества мелких ? глубоких
ловушек, в которых мигрирующие ионы теряют свою «свободу». Характерна
частотная зависимость релаксационных процессов при взаимодействии
акустической волны с мигрирующими ионами, что определяет различие в величине
переходных сопротивлений КР на 5 МГц и .более высокие частоты.
Переходные изменения частоты КР при воздействии НИИ. Кварцевые
генераторы с КР, изготовленные из ПК и СК, при воздействии мощного ИИИ
обнаруживают резкие переходные изменения частоты разного знака (до 5Х
??10~6). Восстановление частоты происходит в течение нескольких минут,
иногда часов. Полного восстановления частоты не наблюдается. Имеются три
основные причины изменения частоты, которые действуют одновременно,
вызывают изменение частоты разного знака и в результате часто наблюдаются
знакопеременные кривые.
Схема генератора. Переходные изменения сопротивления КР
преобразуются схемой генератора в соответствующие изменения частоты ввиду изменения
амплитудных и фазовых соотношений в контуре КГ. На рис. 4.14 приведены
зависимости изменения частоты КГ с КР .из ПК, СК и СКО после действия
импульса гамма-излучения [4.ГО]. Временное разрешение ОД с. Для ПК
наблюдался срыв колебаний на 3,6 с (запас по возбуждению 600 Ом),
положительный выброс частоты. Для СК, частично очищенного, срыва колебаний не
было, но наблюдался значительный положительный выброс частоты. Для СКО
характерно отсутствие срыва колебаний и незначительное изменение частоты.
Для этих работ использовался генератор с положительной зависимостью'
частоты от сопротивления КР. Расчеты показали полное соответствие переходных
изменений частоты и переходных сопротивлений КР. Чтобы уменьшить
влияние схемы генератора, необходимо использовать схему с большим запасом по
возбуждению, работающую вблизи последовательного резонанса КР.
Влияние образующихся радиационных дефектов в кристаллах. На рис. 4.12
приведены кривые изменения частоты КР на 32 МГц после действия импульса
гамма-излучения. Соответствующие изменения сопротивления показаны на рис.
4.13 и уже комментировались выше. В данном случае использовался
генератор со слабой зависимостью частоты (менее 10~7) при семикратном увеличе-
78

нии сопротивления. Тем не менее наблюдались значительные отрицательные
уходы частоты для всех видов кварца. Причина изменения частоты здесь такая
же, как и в случае непрерывного воздействия, —модификация примесных
центров кристалла. Только проявляется кинетика процесса. При воздействии ИИИ
с мощностью дозы более 109 рад/с и дозой более 1000 рад происходит
освобождение заметного количества А1-пентров от компенсаторов, что приводит к
отрицательному смещению частоты. Дальнейшее восстановление частоты
определяется частичным возвращением компенсаторов, а также миграционным
процессом протонов и щелочных ионов навстречу друг другу и образованием
центра (А1н+)°.
Следует подчеркнуть одинаковый уход частоты для GK и СКО на рис,
4.14. Авторы объясняют это относительной «прочностью» центра [А1н+]°.
Хотя протон прочнее связан с Al-центром, чем, например, Na, при
повышенной концентрации первоначальных А1-ОН центров число промежуточных
А1ц--центро<в в момент прохождения импульса ИИ и в течение некоторого
времени после импульса достаточно велико, чтобы вызвать значительный ухо,д
частоты. Это доказывает, что электроочистка приносит удовлетворительные
результаты только для кристаллов с минимально возможной концентрацией А1-
центров (менее 106 отн. ед.) [4.11].
Термические эффекты. Резонаторы из кварца различной предыстории, но
одинаковой конструкции через 10 ... 15 с после импульса излучения
показывают почти одинаковый ход -частоты, характерный для тепловых процессов (рис.
4.15). Энергия излучения поглощается различными элементами конструкции в
разной степени. Возникшее температурное поле вызывает термодинамический
эффект изменения частоты КР, пропорциональной величине температурных
градиентов по объему ПЭ. Последующие изменения частоты связаны е
постепенным выравниванием неоднородно нагретой системы с внешней
температурой (термостата). Для неудачных конструкций изменения частоты толые©
по этой причине могут достигать 10_6. Для уменьшения аффекта необходима
хорошая теплоизоляция пьезоэлемента КР от корпуса. Отличные результаты
дает также применение термокомпенсироващшх срезов. Это доказывает рис.
4.16, на котором приведены кривые изменения относительной частоты КР из
СКО AT- и СЦ-среза после действия импульса излучения (экспериментальные
и расчетные кривые) [4.12].
Требования к радиационной стойкости (PC) резонаторов стимулировали
очередной этап исследовательских работ по изучению дефектной структуры
кварца. К сожалению, интенсивности этих работ далеки от мощной индустрии
полупроводниковой тематики. Отсюда и отставание на несколько порядков по
Рис. 4.16. Переходные изменения час*
тоты резонаторов AT (x) и СЦ (о) из
очищенного синтетического кварца
после действия импульса тормозного
рентгеновского излучения B-1О4 рад).
Сплошная кривая — расчетная на
основе тепловой модели (AT)
Рис. 4.15. Временные зависимости
изменения частоты резонаторов AT
79

чистоте кварца от германия и кремния. На очереди у исследователей, стоит
точное определение количественной корреляции между концентрациями
различных примесных и собственных дефектов с параметрами КР при облучении,
Параллельно отрабатывается надежный и удобный способ контроля кристаллов.
Нет сомнения, что рентабельность этих работ будет определяться и другими
параметрами КР и КГ (кратковременная нестабильность, фазовые шумы,
работа при высоких температурах и др.). Существует несколько проблемных
вопросов, требующих дальнейших исследований:
эквивалентность нейтронного, протонного и гамма-излучения в требуемом
диапазоне доз;
как поведут себя при облучении кристаллы, например «с нулевым»
содержанием примесей;
долговременноеть радиационной закалки;
воздействие мощного импульса электромагнитного излучения на КР;
воздействие сверхжесткого радиационного рентгеновского излучения
большой мощности;
в какой степени «чистый» кварц может быть испорчен технологией
изготовления КР;
разработка стандартной аппаратуры для дистанционных измерений
параметров КР в широком диапазоне частот и интервалов времени;
точное количественное прогнозирование степени PC резонаторов на стадии
кристаллических блоков с учетом конструкции КР.
Дефекты кристаллов [4.13 — 4.15]. Кварц (Si02)— низкотемпературная
структурная 'форма тригональной симметрии, в которую кристаллизуется
двуокись кремния при низких давлениях. Его структура состоит из кремнекис-
лородных тетраэдров, в центре которых находится атом кремния. Каждый из
четырех атомов кислорода является общим для двух соседних тетраэдров, т. е.
связывает два атома кремния. Характерной особенностью структуры кварца
являются структурные каналы, образованные спиральным закручиванием
цепочки атомов кремния и кислорода в направлении главной оси симметрии (Z).
Наличие широких структурных каналов (более 2 А) и низкая плотность
упаковки решетки кристаллов являются причиной предрасположенности
кристаллов к возникновению примесных дефектов внедрения и замещения.
Алюминий. Основной примесью замещения в кристаллах является А1,
который имеет тенденцию к тому, чтобы стать доминирующей примесью в
решетке при стандартных условиях выращивания. Поэтому не случайно именно
им определяется большинство свойств кварца. Алюминий замещает атом
кремния. Поскольку с ионной точки зрения в области с валентностью +4А1
выступает с валентностью 4-3, сюда привлекаются по структурным каналам ионы
с валентностью -Hi, так называемые компенсаторы (Н+, Na+, Li+). Было
разработано стенографическое обозначение примесных центров подобного рода
(А1м+)п, где значок сбоку указывает величину общего электрического заряда
по отношению к нормализованному состоянию в узле решетки, а значок М+ —
компенсирующий ион или дырку —е+.
А1, Fe, Ge могут также образовывать примесные центры внедрения в меж-
узлиях решетки. Концентрация ?1 в ПК и СК колеблется в пределах 1 ....
... 100 атомов А1 на 106 атомов кремния; количество остальных примесей в
несколько раз меньше.
Водород. Роль водорода еще не изучена. Неизвестно даже, как он
входит в решетку кристалла, хотя его концентрация может в десятки раз
превышать концентрацию А1. Полагают, что часть водорода связана с собственными
дефектами решетки, часть с примесями, часть входит в виде воды в
коллоидные включения. Он образует ОН-связи, которые активны в инфракрасной
области (характерные полосы поглощения в диапазоне 3200... 3600 см).
Установлена четкая корреляция между добротностью КР и значением
коэффициента ИК-логлощен1ия в названной области. На начальных этапах производства
СК концентрация водорода в нем была выше, чем в образцах ПК, а
добротность соответственно ниже. Особенно грязна была часть кристалла,
выращенного в Х-направлении по сравнению с Z-направлением. Это ограничивало
применение СК. В настоящее время добротность СК, определяемая чаще всего
спектрами ЙК-поглощения, даже превосходит добротность лучших образцов из
80

ПК. Важно отметить, что ОН-связь возникает, когда протон выступает
компенсатором центра (А1н )°. Эта концентрация может быть определена
полосой 6366 ом-1 ИК-поглощения при низкой температуре, а возникает она как
пр.и росте кристалла, так и при облучении.
Собственные дефекты представляют собой вакансии, межузловые атомы,
комплексы вакансий, неупорядоченные места решетки и т. д. Ими
обусловлено поглощение в ультрафиолетовой области (менее 250 .мкм); они являются
ловушками дырок и электронов и, по-видимому, играют важную роль в
изменении параметров КР при облучении. Наиболее популярны Я'п-центры,
представляющие собой разные комплексы, связанные с кислородными вакансиями.
Они создаются в основном большими дозами излучения (более 103 рад,
1015 я/см2).
В кварце имеются также полости, свили, включения (например, акмит
NaFeSi2:06) и другие более сложные дисперсные образования, включающие
разные ионы и воду. Последние могут являться поставщиками щелочных ионов,
которые, диффундируя по кристаллу, играют не последнюю роль в
долговременной стабильности КР и изменении его параметров при облучении. Они
заметны под микроскопом в рассеянном свете, могут являться зародышами
трещин, :но так же, как дислокации, в ограниченном количестве не влияют на
добротность КР.
Радиационное дефектообразование. Все перечисленные дефекты так или
иначе участвуют в процессах радиационного дефектообразования. При
воздействии энергичных частиц и квантов излучения происходит образование
электронно-дырочных пар, которые перераспределяются между различными дефектными
центрами (ДЦ). Образование и разрушение разнообразных промежуточных ДЦ
зависят от параметров излучения, первоначальной структуры ДЦ и определяют
кинетику основных параметров КР при облучении.
Примерная общепризнанная модель следующая. Примесные центры
(А1ка+)°, (А1ы+)°, (А1ы+)° захватывает дырку, образуя (АЫа+I+ и т. п.
Данные модификации неустойчивы и быстро распадаются. Щелочной ион
отходит от А1-центра и диффундирует по структурному каналу до тех пор, пока
не попадет в глубокую ловушку (например, Ge-центр). Часть оставшихся
дефектов (А1е+)с захватывает протон, приходящий от ростовых дефектов.
Другая часть дефектов (А1е+)° может годами находиться в неизменном состояний
при рабочих температурах, предопределяя новое состояние кристалла и
соответственно новые параметры КР (дымчатая окраска, сдвиг частоты и т. п.).
Центр (А1н+)еН" также неустойчив, но здесь преимущественно дырка отходит
от центра, так как она находится в менее глубокой потенциальной яме, чем
протон. В итоге это не приводит к изменению центра (А1н+)°,
присутствующего в кристалле до облучения.
Эта модель подтверждается многими экспериментальными работами по
низкотемпературной ИК-с'пектроокопии, ЭПР-спектроокопии, измерениями
акустических потерь и т. п.
Очищенный синтетический кварц. Так как щелочные ионы легко осво!божда-
ются от А1-центров при облучении, логично заменить их на более прочно
связанные протоны. Этого можно добиться электроочисткой, прилагая в
направлении оси ? поле напряженностью 1000 В/см при температуре около 500 °С. В
историческом плане как часто бывает все было иначе. Сначала Кинг в 1959 г.
применил очистку, добиваясь повышения добротности СК, и только затем
выяснилось значительное повышение PC очищенного ОК. Дальнейший прогресс был
связан с оптимизацией способов выращивания и очистки кристаллов.
Еще один положительный эффект принесла электроочистка СК высокого
совершенства. Оказалось, что при этом происходит заращивание линейных
дефектов, ответственных за возникновение каналов при глубоком травлении, и
получаются почти бесканальные кристаллы (около 10 на 1 см2).
Виды излучений. К основным видам излучений, определенных Госстандарта-
тами, относятся: гамма-излучение, рентгеновское и электронное излучения,
нейтроны и протоны.
Гамма-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии
(более 1 МэВ), возникающее в результате синтеза или распада яиер элементов,
а также при торможении быстрых электронов. Взаимодействие гамма-излучения
81

с веществом сопровождается поглощением и рассеиванием гамма-квантов.
Основными видами взаимодействия являются фотоэффект, комптановское рассеяние
и образование электронных — позитронных пар. Результатом всех эффектов в
основном является создание носителей зарядов — электронов, дырок,
позитронов. Эффекты смещения атомов малы. Таким образом, действие
гамма-излучения сводится к перезарядке атомов и дефектов в кристалле. Экранировка
может быть достигнута только большими массами.
Электроны. Источником электронов являются радиоактивные нуклиды,
различные ускорители, космические пояса земли. Энергия электронов,
достигаемая на ускорителях, лежит в пределах десятков и сотен мегаэлектронвольт.
Электроны теряют энергию в веществе главным образом на возбуждение и
ионизацию электронной подсистемы решетки кристалла. Эффекты смещения
атомов обычно малы и сказываются при больших дозах A08 рад). При больших
энергиях электронов необходимо учитывать возникающий спектр тормозного
излучения.
Протоны—ядра водорода, обладающие невысокой проникающей
способностью. Поэтому необходимы высокие энергии для их исследований (более
600 МэВ). Каждый протон способен образовать сотни смещенных атомов.
Эффекты смещения могут превышать эффекты ионизации. Источники протонов —
ускорители, космические лучи, радиационные пояса планет.
Нейтроны классифицируются как тепловые (менее 0,05 эВ) и быстрые
(более 0,1 МэВ). Источниками нейтронов являются цепные реакции деления
ядер, ядерные реакции, ускорители протонов, которые дают вторичное
излучение нейтронов при бомбардировке мишеней. Нейтрон производит радиационные
разрушения при прямом взаимодействии с ядрами атомов. При высоких
энергиях наблюдаются каскадные смещения атомов. Могут возникать
ионизационные эффекты. Практически нейтронному излучению обычно сопутствует
значительная доля гамма-излучения. Экранировка возможна только очень большими
массами.
В диапазоне не слишком больших доз специфичность видов излучения
усиленно изучалась и изучается. Созданы специальные программы по определению
эквивалентности различных видов и энергий излучений. Эквивалентность
рентгеновского, электронного и ?-излучения при одинаковых дозах можно считать-
установленной (при воздействии на КР). Эквивалентность нейтронного и у
излучения установить трудно ввиду обычно смешанного воздействия этих видов,
и этот вопрос пока остается открытым. В диапазоне доз до 107 рад эффекты
смещения минимальны и воздействие, по-видимому, носит ионизационный
характер. Это дает возможность упростить экспериментальные исследования,
проводя их на одном наиболее удобном виде воздействия. Но необходима
известная осторожность, так как в отдельных случаях может проявляться и
специфичность различных видов излучений.
Общие сведения о воздействиях разного рода излучения рассматриваются
в [48].
Литература к разделу 4
4.1. Поздняков П. Г. Расчет пьезоэлементов с асимметричными частотно-
температурными характеристиками//Электронная техника. Сер. 9. — 1968. —
Вып. 4. — С. 68.
4.2. Ильичев В. А. Температурная зависимость динамических параметров
кварцевых резонаторов//Электронная техника. Сер. 10.— 1972.— Вып. 3. —
С. 45—53.
4.3. Гильварг Б. ?., Ливенский Г. А. О влиянии режима испытаний на
величину старения кварцевых резонаторов//Электронная техника. Сер. 9. —
1970. —Вып. 5, —С. 12.-17.
4.4. Причины изменения частоты камертонных резонаторов при вакуумиро-
вании/Л. 3. Русаков, В. В. Малов, О. Г. Павленко и др.//Электронная
техника. Сер. 5. — 1986. — Вып. 4 F5). — С. 54—56.
4.5. Aoki Т. Frequency change of quartz resonator irradiated by 1 MeV
electrons// Тюбу коге дайкаку киё. — 1975.— А П. —Р. 113—119.
82

4.6. Capone В. R. Quartz crystal radiation effects//IEEE Trans, on Nucl.
ScL—1970. —NS-17.—.XII. —N 6. — P. 217—221.
4.7. Bahadur H. Effect of irradiation on crystal defects in quartz//IEEE
Trans. Nucl. Sci.—1985. —NS-32. —P. 1169—1179.
4.8. Steady state and transient radiation effects in precision quartz oscilla-
tors/P. Pelligrini, F. Euler, A. Kahan//IEEE Trans. Nucl. Sci. — 1978. — NS-25.—
P. 1267.
4.9. Palkuti L. J., Truong Q. T. An X-ray irradiation system for total —
dose testing of quartz resonators//Proc. 38-th ASFC. — 1984. — P. 55—62.
4.10. King J. C, Sander ?. ?. Transient changes in quartz resonators
following exposure to pulse ionisation//Radiation effects. — 1975.— Vol. 26. — P.
203—212.
4.11. Joung T. S., Koehler D., Adams R. Radiation induced frequency changes
in electrolysed high purity Q resonators//Proc. 32-nd ASFC. — 1978. — P. 34—32.
4.12. Koehler D. R. Radiation-induced frequency transients in AT, ВТ and
SC cut quartz resonators//Proc. 33-rd ASFC—1979. — P. 118—121.
4.13. Griscom D. L. Point defects and radiation damage processes in ct-qu-
artz//Proc. 33-rd ASFC— 1979. —P. 98—109.
4.14. Weil J. A review of electron spin spectroscopy and its application to
the steady of paramagnetic defects in crystalline quartz//Phys. Chem. Miner. —
1984. —Vol. 10. —P. 149—165.
4.15. Физические исследования кварца/Под ред. М. И. Самойловича и
А. И. Кетчикова. — М.: Недра, 1975.— С. 65.
РАЗДЕЛ 5.
УСТРОЙСТВО И КОНСТРУКЦИИ РЕЗОНАТОРОВ
S.I. Основные части резонаторов и особенности их устройства
Кажущаяся внешняя простота устройства ПР сочетается с необычайно
высокими точностью и стабильностью основного параметра резонатора — его
частоты. Уже давно обычной считается температурная стабильность кварцевого
резонатора ±5·10~6 в интервале изменения температуры 50 °С или точность
настройки частоты прецизионного резонатора ±10~6. При этом налагаются и
другие жесткие ограничения на их параметры и характеристики, В этом
отношении ПР являются уникальными устройствами, которые не могут идти ни в
какие сравнения с другими пассивными компонентами РЭА. Столь убедительный
прогресс в области производства ПР явился результатом многолетних усилий
большого числа ученых, конструкторов и технологов многих стран,
использования новейших достижений технологии и соблюдения жесткой производственной
и технологической дисциплины.
Стандартизация и унификация резонаторов коснулись преимущественно их
внешнего устройства — формы и размеров корпусов, числа, размеров и
расположения выводов, что позволило существенно сократить их номенклатуру и
достичь взаимозаменяемости. Внутреннее же устройство резонаторов
характеризуется значительно большим разнообразием, в результате чего изготовитель
может удовлетворять все более ужесточающимся требованиям на различные
электрические и эксплуатационные характеристики резонаторов и обеспечивать
постоянный технический прогресс.
Принято считать, что потребителя интересуют только внешние
конструктивные данные резонаторов, главным образом форма, размеры, объем и материал
корпуса, число, размеры и расположение выводов, детали крепления корпуса
к панелям и платам приборов, совместимость корпусов резонаторов с
компонентами РЭА и МЭА. Внутреннее устройство резонатора считается делом
изготовителя и потребителя обычно мало интересует. Однако с появлением
бескорпусных резонаторов сведения об особенностях внутреннего устройства ПР
83

оказываются для потребителя совершенно необходимыми. Пьезорезонаторы
характеризуются большим разнообразием внутреннего устройства и сведения о
влиянии последнего на характеристики полезны потребителю и могут помочь
правильно выбрать тип резонатора с учетом условий эксплуатации и режима
работы. В неменьшей степени качество резонаторов определяется уровнем
технологии их производства. Поэтому ниже при описании производства
резонаторов уделено внимание влиянию различных технологических факторов на те
или иные характеристики, на их качество и надежность.
Обычно резонаторы состоят из трех основных частей; корпуса (оболочки)»
держателя и пьезоэлемента. Корпус имеет выводы., (вводы), предназначенные
для соединения электродов пьезоэлемента с внешеней электрической цепью. В
некоторых конструкциях держатель как отдельный узел отсутствует и пьезо-
элемент крепится либо к выводам корпуса, либо непосредственно к его
внутренним стенкам. -
5.2. Корпуса
Назначением корпуса является защита пьезоэлемента от внешних
механических и климатических воздействий, могущих вызвать его повреждения я
нежелательные изменения его электрических и эксплуатационных характеристик.
Современные ПР имеют, как правило, герметичные, вакуум-плотные корпуса,
надежно защищающие ПЭ от действия влажности, разного рода загрязнений,
изменений внешнего атмосферного давления, быстрых изменений внешней
температуры и некоторых других внешних воздействий. Материалы корпуса должны
быть инертными и не являться источниками каких-либо загрязнений.
Заполняющая внутренний объем корпуса газовая среда не должна содержать влаги или
паров каких-либо веществ, способных конденсироваться при изменении
температуры. Конденсация влаги или других продуктов на поверхности ПЭ является
причиной недопустимых изменений частоты и сопротивления ПР. Загрязнения
внутреннего объема являются одной из причин, определяющих стабильность ча*
стоты, в частности ее долговременные изменения. Внутренний объем корпуса
заполняют чистым сухим воздухом или инертным газом при давлении, близком
к нормальному атмосферному, или создают внутри корпуса разрежение
(вакуум) порядка 10 ... 0,1 Па AQ-1 ... Ю-3 мм рт. ст.).
Резонаторы, корпус которых заполнен газом при давлении, i близком к
атмосферному, называют герметичными, а у которых внутри! корпуса создано
разрежение — вакуумными.
К герметичности корпусов ПР предъявляют столь же высокие требования
по натеканию, как и к корпусам электровакуумных приборов. Считают что
натекание корпусов не должно быть хуже, чем Ю-8 л-мм рт. ст./с. Стандартом
МЭК [50] в зависимости от класса резонаторов установлены четыре значения
скорости натекания корпуса: 10~7, 10~8, 10~9, 100 бар-см3/е. Учитывая, что
бар соответствует 750 мм рт. ст., нормы МЭК на натекание корпусов будут
соответственно: 7,5 -Ю-8; 7,5-Ю-9; 7,5· 10-10 и 7,5-Ю-11 л-мм рт. ст./с. Ниже
будет показано, чем обусловлены жесткие требования к герметичности корпу*
сов ПР.
Корпуса резонаторов различают по виду материала. Известны
пластмассовые, стеклянные, металлические и керамические корпуса.
Пластмассовые корпуса широко использовались в 30—50 гг., когда к
стабильности частоты резонаторов не предъявлялись высокие требования.
Пластмассовые корпуса не были герметичными и защищали ПЭ в основном от
механических повреждений и пыли. Внутренний объем корпуса не был изолирован
от внешней среды, и при изменениях температуры и внешнего давления проис-,
ходил газообмен между внутренним объемом и внешней средой. При этом
внутрь корпуса попадала влага, воздух, различные газообразные и
парообразные продукты, вызывающие загрязнения, коррозию электродов, конденсацию
на ПЭ всевозможных веществ и, как следствие, большие изменения частоты и
сопротивления. Конденсация влаги на ПЭ при температуре, соответствующей
точке росы, вызывала скачкообразные изменения частоты и сопротивления и не*
редко являлась причиной срыва колебания КГ. В настоящее время отечествен-;
84

ная промышленность не выпускает ПР в пластмассовых корпусах. За рубежом
пластмассовые корпуса используют для относительно малостабильных пьезоке-
рамических резонаторов.
Тенденции развития, обусловленные миниатюризацией и требованиями
конструктивной совместимости с компонентами МЭА, заставляют отдавать
предпочтение преимущественно стандартным металлическим и керамическим корпу·
сам, используемым для герметизации полупроводниковых приборов и
микросхем.
Стеклянные корпуса. Для кварцевых резонаторов широко используют
стеклянные корпуса, имеющие долгую историю практического применения. Описания:
конструкций в стеклянных корпусах имеются уже в источниках 30-х годов. В
качестве корпусов использовали преимущественно колбы и ножки от электро-
вакуумных приборов. Так, в кварцевых фильтрах аппаратуры 12-канальной
связи нашли применение вакуумные резонаторы в колбах от радиоламп
октальной серии. В таких же колбах в конце 40-х годов выпускались первые ПР из
искусственных растворимых кристаллов виннокислого калия (КВ-резонаторы).
Резонаторы в колбах от октальных радиоламп уже не используются в РЭА,
промышленностью не выпускаются, и сведения с них имеются в более ранних
источниках.
В 50-х годах были разработаны и внедрены в производство
малогабаритные КР в колбах от пальчиковых радиоламп, а затем и миниатюрные разона-
торы в колбах от миниатюрных радиоламп серии «дробь». Появилось
множество конструкций резонаторов в таких корпусах, охватывающих весь диапазон
их частот. Вакуумные ПР пальчиковой серии и серии «дробь» выпускаются
большинством отечественных предприятий и до настоящего времени являются
достаточно распространенными. Резонаторы в этих корпусах стандартизованы.
Имеется международный стандарт МЭК и отраслевые стандарты,
регламентирующие типоразмеры и расположение выводов (цоколевку)
[52, 85, 87]. Стандартизованные резонаторы в колбах от пальчиковых
радиоламп имеют условные обозначения, определяемые диаметром.
Резонаторы в колбах диаметром 22 мм с 9 выводами имеют обозначение Д, в
колбах диаметром 19 мм с 7 выводами — обозначение С.
Резонаторы в колбах от миниатюрных радиоламп (серии «дробь») имеют обозначение Э.
Корпуса типов Д и С имеют как гибкие, так и жесткие выводы (штырьки).
Корпуса типа Э имеют гибкие выводы. Новым отраслевым стандартом введе-
Таблица 5.1. Размеры корпусов типа Э
Условное
обозначение ТИПО)-
размера
ЭА
ЭБ
ЭВ
ЭГ
ЭД (BV)
ЭЕ
ЭЖ (BW)
ЗИ (ВХ)

Номинальное
значение F, мм
15
20
25
30
35
40
45
55

Максимальное
значение Я, мм 1
22 1
27
32
37
42
47
52
62 |
Условное
обозначение ти-
1 поразмера
ЭК (BY)
эл
ЭМ . {
ЭН 1
эп
ЭР
ЭС ; !
|эт |
?
Номинальное значе-
1 ние F, мм
65
75
85
100
52
62
32
38
^•-*&

Максимальное
значение Н, мм
72
82
92
107
57
67
39
45
Примечания: 1. Предельное отклонение размера F для всех корпусов
составляет ±1,5 мм,
2. Вывод 8 обрезан до размера 1 мм.
3. Длина выводов корпусов ЭА—ЭТ имеет варианты 12,5, 25 и 38 мм.
4. Допускается попарное свивание выводов с обрезкой неиспользуемых
выводов до размера 1 мм.
5. Линия купола баллона, от которой измеряется размер F, определяется
кольцевым калибром с внутренним диаметром 5+0,1 мм.
6. В скобках латинскими буквами приведены обозначения МЭК [52].
85

Таблица 5.2. Размеры корпусов типа С
Условное
обозначение
типоразмера
СА
СБ
СВ
СГ
СН
СП
СР
ее

Номинальное
значение;, F, мм
20,7
25
32
38,1

Максимальное
значение Я, мм |
28
34
41
47,6
Условное
обозначение
| типоразмера
сд
СЕ
сж
СТ
СУ
СФ

Номинальное значе-
ние> F, мм
45
54
65

Максимальное
значение Н, мм
54
63,5
74
Примечания: 1. Предельное отклонение размера F составляет ±1,5 мм.
2. Расположение штырьков и их размеры указаны для резонаторов,
приведенных на рис. 5.1, по ГОСТ 4842—71 тип РШ4.
3. Длина гибких выводов для типоразмеров корпусов СН—СФ имеет
варианты 12,5 25 и 38 мм.
4. В корпусах с гибкими выводами допускается обрезать неиспользуемые
выводы до размера 1 мм и попарно свивать однополюсные выводы.
5. Линия купола баллона, от которой следует измерять размер F,
определяется кольцевым калибром с внутренним диаметром 11,3+0,1 мм.
Рис. 5.1. Стеклянные корпуса
вакуумных резонаторов пальчиковой
серии Д:
а — со штырьками; б — с гибкими
выводами
?6
Рис. 5.2. Стеклянные корпуса
пальчиковой серии С:
а — со штырьками; б — с гибкими
выводами

ны обозначения, определяющие типоразмеры корпусов Д, С и Э, а также вид
выводов (табл. 5.1 и 5.2) [85]. Резонаторы в стеклянных корпусах от
радиоламп имеют ряд типоразмеров, различающихся длиной колбы, что позволяет
монтировать в них ПЭ самой разной длины. Поскольку резонаторы в
большинстве случаев имеют два и редко три полюса, изготовители обычно обрезают
лишние выводы. В последнее время резонаторы в корпусах типа Э
выпускаются с уменьшенным числом выводов (с четырьмя выводами). Отечественные
резонаторы выпускаются, как правило, с дублированными выводами.
Резонаторы в корпусах типа Д практически вышли из употребления из-за больших
размеров. Разработка резонаторов в корпусах типа С ограничена из-за
больших размеров, и они рекомендуются для резонаторов-термостатов, резонаторов
повышенной стабильности частоты и при установке в корпус ПЭ большого-
размера, а также при установке двух, трех и более ПЭ.
На рис. 5.1—5.3 показаны форма и размеры стеклянных корпусов
пальчиковой серии и серии «дробь».
Соединение стеклянных колб с ножками осуществляется сваркой на газовом
пламени, на типовом оборудовании электровакуумного производства. В
стеклянных корпусах выпускаются вакуумные резонаторы и в редких случаях —
газонаполненные. Использование готовых ножек и колб от радиоламп
существенно упрощает и удешевляет производство резонаторов. Резонаторы в
корпусах от радиоламп считаются надежными и длительное время сохраняют
разрежение (вакуум) внутри корпуса, что обеспечивает
малое старение.
-Некоторые предприятия как в нашей стране, так и*
за рубежом выпускают резонаторы в колбах от
радиоламп диаметром .14, 12, 7 и 6 мм, .а также в овальных
колбах сечением 10x6 мм, что позволяют использовать
такие резонаторы в современной РЭА. Некоторые
предприятия выпускают (микро'резонаторы в стеклянных
корпусах от электровакуумных приборов диаметром 4 мм.
Специальные стеклянные корпуса типа К. Для кварце*
вых резонаторов разработаны специальные стеклянные
корпуса плоской формы с меньшими габаритами чем у
Рис. 5.3. Стеклянный Рис. 5.4. Стеклянный Рис. 5.5. Стеклянный
корпус серии Э корпус КА плоской фор- корпус КБ плоской
(«дробь») мы формы
8Г

резонаторов в колбах от радиоламп. Соединение основания (ножки) с
с колбой осуществляется сваркой при локальном нагреве места сварки токами
высокой частоты. Выпускаются два типоразмера таких корпусов, имеющих
обозначения КА и КБ. Разновидность корпуса К, имеющая обозначение KB и
такие же размеры, как у корпуса КА, отличается наличием дополнительного
третьего вывода. На рис. 5.4 и 5.5 показаны форма и размеры этих корпусов.
Заметим, что форма и размеры корпусов КА и КБ такие же, как у
металлических корпусов Б и М, которые будут рассматриваться ниже. Корпуса К имею!
жесткие выводы, и резонаторы в этих корпусах предназначены для
использования в РЭА на дискретных компонентах. Корпуса КА и КБ стандартизованы
{52, 85].
Разработан стеклянный корпус цилиндрической формы под сварку токами
высокой частоты, предназначенной для резонаторов повышенной стабильности.
На рис. 5.6 показаны форма и размеры такого корпуса, имеющего обозначение
КГ. Производство КР в корпусах КГ освоено недавно.
Предпринимались попытки создания малогабаритных стеклянных корпусов
плоской цилиндрической формы с соединением их частей посредством
эпоксидных клеев, что исключало воздействие высокой температуры на ПЭ при
герметизации корпуса. Несмотря на привлекательность такого холодного метода
герметизации и малые размеры корпусов, резонаторы с клеевой герметизацией
не получили распространения. Выяснилось, что клеевые швы не обладают
влагостойкостью, влага в процессе эксплуатации постепенно проникает внутрь
корпуса и ухудшает характеристики резонатора. Резонаторы с клеевыми швами
считаются малонадежными. Тем не менее работы по изысканию более
надежных клеев и неорганических цементов холодного отверждения интенсивно
ведутся и в некоторых случаях получены удовлетворительные результаты. Для
герметизации миниатюрных стеклянных корпусов используют также
легкоплавкие стеклянные припои с температурой плавления ниже 500 °С. Хорошие
результаты дают легкоплавкие кристаллизующиеся припаечные стекла.
Металлические корпуса. Герметичные металлические корпуса начали
использовать для резонаторов в 40-х годах. Первые КР были изготовлены в металла-
Рис. 5.6. Стеклянный корпус КГ
цилиндрической формы
Рис. 5.7. Металлический корпус Б
,,, плоской формы

ческих корпусах от октальных радиоламп. Затем были разработаны
специальные металлические корпуса плоской формы уменьшенного размера, которые
вскоре получили широкое распространение и надолго стали стандартным типом
корпуса для герметичных резонаторов. Этот тип корпуса включен в
международный стандарт МЭК и отраслевые стандарты СССР [52, 85].
Корпус, имеющий обозначение Б, выпускается с выводами трех видов:
жесткими штырьками для разъемного соединения с панелькой (БА), с гибкими
и жесткими выводами под пайку. Резонаторы выпускаются преимущественно со
штырьками, поскольку к ним разрешена пайка. Резонаторы с выводами двух
остальных видов выпускаются ограниченным числом предприятий и в
небольшом количестве. Существует несколько типоразмеров корпуса Б,
различающихся длиной. Корпус Б считается устаревшим из-за больших размеров. Он
предназначался для РЭА на дискретных компонентах, устанавливаемых в
вертикальном положении. Герметизация корпуса осуществляется пайкой мягкими
припоями. Паяный шов, хотя и обеспечивает требуемую герметичность,
неблагоприятно влияет на такой существенный параметр резонатора, как
старение. При пайке для получения надежного шва необходимо применять флюс,
следы которого, попадая внутрь корпуса, загрязняют поверхность ПЭ и
являются причиной повышенного старения. Имеются варианты корпуса Б для
герметизации их контактной и холодной сваркой. Большинство зарубежных фирм
гарантирует старение для резонаторов в паяных корпусах ±5·10-6 в год, для
герметизированных контактной сваркой ±3·10-6, а для герметизированных
холодной сваркой ±2·10~6. Большинство отечественных предприятий для резона»
торов, герметизированных пайкой, гарантирует большее старение, чем
указывалось выше. О форме и размерах корпуса Б дает представление рис. 5.7. В
настоящее время корпус Б используют для выпуска низкочастотных резонаторов
на частоты 1 ... 4 МГц.
Для уменьшения размеров КР был разработан малогабаритный корпус, по
конструкции и форме аналогичный корпусу Б, получивший обозначение М.
Размеры корпуса указаны на рис. 5.8. Этот корпус предназначен для резонаторов
на частоты выше 4 МГц. Он выпускается многими предприятиями и широко
распространен. В последнее время освоено производство КР в корпусах ? с
герметизацией лазерной или холодной сваркой. Отечественная промышленность
выпускает резонаторы в корпусах ? только с жесткими выводами (штырька-
Рис. 5,8. Металлический корпус М
плоской формы
Рис. 5.9. Миниатюрный
металлический корпус ММ плоской формы
89

Рис. 5.10. Металлический корпус ТА
цилиндрической формы
Рис. 5.11. Металлический корпус ТБ
ми) —МА, но к ним разрешена пайка. За рубежом выпускают также варианты
корпуса ? с гибкими выводами. Корпуса ? стандартизованы МЭК.
Разработан корпус типа ММ, имеющий еще меньшие размеры (рис. 5.9).
Корпуса типов Б, Ми ММ предназначены для аппаратуры на дискретных
компонентах для монтажа на печатных платах в вертикальном положении.
Корпуса Б и М, герметизируемые пайкой, не рекомендуются для резонаторов,
используемых в новых разработках РЭА, поскольку возможно приобретение
резонаторов Б и М, герметизируемых сваркой (лазерной, конденсаторной или
холодной).
Для РЭА на дискретных компонентах с горизонтальным расположением
последних разработаны плоские металлические корпуса цилиндрической формы,
напоминающие корпуса транзисторов. Герметизация этих корпусов осуществляется
холодной сваркой. Выпускаются два типоразмера корпусов, имеющих
обозначения ТА и ТБ. Форма и размеры корпуса приведены на рис. 5.10 и 5.11. Однако
эти корпуса имеют большой размер сварного буртика, увеличивающего их
габариты, и излишне толстые выводы диаметром 1 и 0,5 мм. За рубежом
выпускают резонаторы в корпусах от транзисторов ТО-5 и ТО-8, имеющие
меньшие габариты, чем корпуса ТА и ТБ, и лучше совмещающиеся с другими
компонентами МЭА. Некоторые предприятия для своих нужд выпускают
резонаторы в корпусах от транзисторов и прямоугольных корпусах от микросхем
(рис. 5.12). Некоторые предприятия выпускают опытные резонаторы в специ-
Рис. 5.12.
Металлический корпус ТО-5

Рис. 5.13.
Металлический корпус
цилиндрической формы с осевыми
выводами:
а — без буртика; б — с
буртиком
альных металлических корпусах цилиндрической формы без буртика,
герметизируемых лазерной сваркой. Корпуса имеют два варианта расположения выводов:
планарное и осевое (рис. 5.13 и 5.14).
Для микрорезонаторов выпускают металлические корпуса. Они имеют
проволочные выводы и предназначены для установки на печатные платы.
Для резонаторов с ПЭ в виде стержней или узких пластин выпускается
металлический корпус ЧБ (рис. 5.15).
Имеется несколько видов корпусов для MP, о форме и размерах которых
дают представления рис. 15.16—15.20.
В настоящем справочнике не приводятся сведения об устаревших типах
резонаторов в металлических корпусах, имеющих обозначения Г и У. Сведения
о них имеются в [1].
Герметичность металлических корпусов хуже, чем стеклянных, и число
отказов из-за негерметичности у них несколько больше. Для улучшения
герметичности металлических корпусов некоторые предприятия подвергают их
обработке анаэробными полимерами типа «Анатерм», которые надежно закрывают
микротечи.
Рис. 5Л 4. Металлический корпус
.1 планарными выводами
Рис. 5.15. Металлический корпус ЧБ
для резонаторов с ПЭ в виде
стержней и узких пластин
91

Рис. 5.16. Металлический корпус ЧВ
для микрорезонаторов
Рис. 5.17. Металлический корпус ЧД
для микрорезонаторов
Прямоугольные металлические корпуса от микросхем широко используются
для размещения в них различных пьезоэлектронных устройств, главным образом
генераторов и фильтров. Эти корпуса используют также для размещения э
них нескольких пьезоэлементов или ПЭ больших размеров. Потребители
предпочитают использовать такие корпуса в РЭА с горизонтальным монтажом. Так,
на рис. 10.8 показан плоский металлических корпус для микросхем, в котором
размещено несколько ПЭ. Форма и размеры этих корпусов даны в разд. 25.
Керамические корпуса. До последнего времени керамические корпуса для
герметизации резонаторов использовали очень редко. Однако успехи в
технологии производства керамических корпусов для микросхем заставили
разработчиков резонаторов иначе отнестись к их использованию. Выяснилось, что
керамические корпуса для микросхем имеют меньшее натекаиие, чем металлические,
и считаются более надежными. За рубежом керамические корпуса уже
несколько лет используют для размещения в^ них не только резонаторов, но и
ПЭУ, что делает их полностью совместимыми с микросхемами [48].
Отечественная промышленность выпускает много разнообразных керамических корпусов,
из которых для резонаторов наиболее пригодны корпуса серии ? квадратной
формы. Выпускается ряд типоразмеров корпусов ? с планарными и
шариковыми выводами. На рис. 5.21 приведен чертеж такого корпуса. Все типоразмеры
Рис. 5.18. Металлический корпус ЧА
для микрорезонаторов
92
Рис. 5.19. Металлический корпус ЧЕ
для микрорезонаторов

Рис. 5.20. Металлический корпус АА
для микрорезонаторов
цилиндрической формы с герметизацией на-
прессовкой
Рис. 5.21. Керамический корпус
серии ? м-
Рис. 5.22. Диаграмма, иллюстрирующая преимущественное использование
резонаторов в корпусах некоторых типов по диапазону частот
93

имеют одинаковую высоту 2,5 мм. Для резонаторов достаточно использовать
3... 4 типоразмера. Корпуса ? имеют керамическое основание с металлической
рамкой в верхней части, к которой приваривается металлическая крышка.
Керамические корпуса считаются перспективными. Уже разработаны образцы
резонаторов и ПЭУ в керамических корпусах и следует ожидать их
промышленного выпуска [5.1].
Разработаны и продолжают разрабатываться корпуса для плоского
монтажа, предназначенные для автоматизированной сборки. Такие корпуса
изготовляют из керамики, ситалла и стекла. Корпуса имеют стеклянные крышки,
позволяющие осуществлять лазерную настройку частоты после герметизации
корпуса и установки резонаторов в приборы. Герметизация может осуществляться
легкоплавким стеклом, пайкой и иногда клеем.
Для микрорезонаторов разработан корпус из спеченного стеклопорошка, а
для ПЭУ и ПР большего размера — керамический корпус. В опытном
производстве освоен выпуск MP в корпусе для плоского монтажа. Описание
корпуса дано в разд. 20.
На рис. 5.22 приведена диаграмма, иллюстрирующая распределение
резонаторов в разных типах корпусов по диапазону частот.
5.3. Выводы корпусов
В современной РЭА соединение выводов компонентов осуществляют, как
правило, посредством пайки. Поэтому потребители предпочитают ПР с гибкими
выводами. Тем не менее большинство резонаторов в корпусах типов Б, М, Д и С
выпускаются с жесткими выводами (штырьками). Изготовители вынуждены
были разрешить потребителям осуществлять пайку жестких выводов. Резонаторы
с мягкими выводами в корпусах Б и ? практически не выпускаются.
Резонаторы в металлических корпусах должны иметь вывод, соединенный с корпусом
(«корпусной вывод»). Устаревшие корпуса типов Б и ? выпускаются без
такого вывода. Корпуса типа ? выпускаются с тремя выводами, один из которых
соединен с корпусом.
К выводам резонаторов предъявляются те же требования, что и к-
выводам корпусов электровакуумных и полупроводниковых приборов. В некоторых
случаях изготовители устанавливают ограничения на температуру и время
пайки выводов, что обусловлено опасностью разрушения внутренних паяных
соединений. Для предохранения гибких выводов от перегибов, которые могут
явиться причиной разрушения стеклянных впаев, на выводы одевают специальные
предохранительные детали из пластмассы.
Для резонаторов, корпуса которых имеют число выводов больше
необходимого, установлены правила соединения выводов с электродами ПЭл Для
стеклянных корпусов типов Д, С и Э эти правила стандартизованы: имеется
стандарт МЭК и отраслевой стандарт [52, 87]. Большинство отечественных
предприятий дублируют выводы в этих корпусах. Стандарт МЭК предусматривает
цоколевку без дублирования. Поэтому в табл. 5.3 приведены цоколевки
резонаторов в корпусах типов Д, С и Э для обоих случаев.
У резонаторов в корпусах типов Д, С и Э с гибкими выводами
изготовители обычно удаляют (выкусывают) лишние выводы, не имеющие соединений с
электродами ПЭ. Для резонаторов в корпусе Э используют в последнее время
специальные ножки с уменьшенным числом выводов (с четырьмя выводами). В
паспортах на резонаторы обычно приводится их цоколевка, поясняющая
соединения выводов с электродами.
Для резонаторов в металлических корпусах от микросхем правила
соединения выводов (цоколевка) еще не установлены, и в каждом случае
изготовители указывают эту цоколевку. Наиболее часто в прямоугольных корпусах типа
1203 (К-151) соединяют электроды с выводами / и 7, 1 и 5, 4 и 11. При
установке в корпус двух ПЭ их электроды соединяют с выводами 1 и 7, 8 и 14.
Выводы от корпуса имеют резонаторы в корпусах типа Т, а также в
круглых (цилиндрических) корпусах транзисторов и в прямоугольных корпусах от
микросхем.
94

Таблица 5.3. Соединение выводов резонаторов в стеклянных корпусах с
электродами пьезоэлемента
Тип

корпуса
с, э
Д
Число полюсов и ПЭ
Двухполюсные
Трехполюсные
Четырехполюсные
Два ПЭ
Двухполюсные
Трехполюсные
Четырехполюсные
Два ПЭ
Выводы
основные
U 3, 5
1, 3, 5, 7
1 и 5; 3 и 7
1, 3, 6
U 3, 6, 8
1 и 6, 3 и 8
сдвоенные
1—2, 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—3, 6—4, 8—7
1—2 и 6—7, 3-4, 8—9
* В корпусе типа С один полюс соединяется только с выводом 7.
С планарными и шариковыми выводами резонаторы в серийном
производстве не выпускаются. Однако резонаторы в типовых или специальных корпусах
с планарными или шариковыми выводами выпускаются в опытном
производстве.
5.4. Пьезоэлементы
Резонаторы характеризуются большим разнообразием используемых в них
пьезоэлементов, которые различаются видом пьезоэлектрика, формой и
размерами кристаллических пластин, ориентацией их относительно
кристаллографических осей кристалла, формой, числом, размерами и расположением электродов.
Керамические ПЭ различаются, кроме того, направлением поляризации
относительно расположения электродов. Различаясь видами и модами совершаемых
механических колебаний, пьезоэлементы имеют различное расположение
узловых точек, линий или областей, в которых осуществляют их крепление.
Различия расположения мест крепления ПЭ определяют конструктивные особенности
держателей.
Пьезоэлементы имеют форму пластин или стержней. Пластины обычно
имеют прямоугольную, квадратную или круглую форму, реже форму
треугольников, параллелограммов или ромбов. Большие грани пластин могут быть
плоскими или сферическими. Стержни в большинстве случаев имеют прямоугольное
сечение. Иногда используют стержни, сечение которых изменяется по длине.
Нашли применение ПЭ сложной формы, например в виде кольца, камертона.
Для достижения тех или иных характеристик используют ПЭ с щелями и
выемками различной формы. Наконец, нашли применение ПЭ, получившие название
составных, представляющие соединение нескольких одинаковых или различных
по ориентации и размерам пластин.
Электроды могут покрывать всю поверхность граней или только ее часть.
В последнем случае электроды называют уменьшенными или укороченными. На
пластинах электроды обычно располагаются на больших гранях. На стержнях
электроды могут быть на двух или большем числе граней. Часто используются
так называемые секционированные электроды, полярность которых у смежных
электродов различна. Иногда используются электроды сложной формы в виде
овалов, колец и пр. Пьезоэлементы могут различаться числом электродов,
имеющих отдельные выводы для соединения с внешней цепью. Наконец,
используются так называемые пассивные электроды, не включаемые во внешнюю цепь.
Разновидности электродов, их особенности, форма и варианты применения
описаны в разд. 1.
Пьезоэлементы совершают интенсивные механические колебания,
определяющие электрические параметры резонатора. Присоединение! к ПЭ частиц како-
95

го-либо твердого материала вызывает изменение режима его механических
колебаний — частоты и амплитуды. Даже контакт ПЭ с воздушной средой, как
иззестно, увеличивает его затухание и влияет на частоту. По этой причине ПЭ
не может быть защищен от внешних воздействий оболочкой, нанесенной на его
поверхность. Пьезоэлемент должен быть по возможности свободно размещен
внутри оболочки или корпуса, а детали, фиксирующие его положение внутри
корпуса, должны быть слабо связаны с ПЭ, дабы не вызывать заметного
затухания колебаний и влияния на частоту. Крепление должно быть достаточно
прочным, способным выдерживать внешние механические воздействия в
условиях эксплуатации и обеспечивать требуемую стабильность частоты и других
параметров. Очевидно, что эти требования к креплению ПЭ противоречивы и
решение задачи крепления ПЭ достигается в результате компромисса.
Иногда пьезоэлементы кроме электродов имеют другие присоединенные или
нанесенные элементы в виде точечных или распределенных по некоторой
поверхности покрытий. Назначение таких присоединенных элементов может быть
различным. Распределенные и сосредоточенные элементы наносят, например, для
настройки частоты, ослабления побочных резонансов или регулирования ТКЧ.
5.5. Держатели
Держателем называют устройство для фиксации положения ПЭ. В общем
случае кристаллических ПЭ это устройство называют кристаллодержателем, в
случае кварцевых ПЭ — кварцедержателем, в случае керамических ПЭ ¦— просто
держателем. В дальнейшем вне зависимости от вида пьезоэлектрика будет
использоваться более общий термин держатель. В более ранних конструкциях
держатели представляли сравнительно сложные узлы, например устройства в виде
каркасов, состоящих из нескольких проволочных стоек, связанных в одно цело©
несколькими дисками из слюды или иного изоляционного материала. Каркасные
держатели заимствованы из конструкций электровакуумных приборов. В
современных малогабаритных конструкциях с ПЭ небольшой массы держатели
упрощены и представляют простые детали в виде стоек или консолей, в качестве
которых чисто используют выводы корпуса. В некоторых случаях крепление ПЭ
осуществляют изнутри к стенкам стеклянной колбы. Резонаторы с таким
креплением ПЭ получили название бескаркасных из-за отсутствия держателя,
обычно имеющего вид каркаса.
Различают несколько основных видов держателей: со свободным
положением ПЭ, с зажимным креплением и с проволочным креплением последнего.
Держатели со свободным положением ПЭ использовались на самой ранней
стадии развития. Кварцевая пластина с небольшим зазором размещалась между
двумя металлическими пластинами, выполнявшими функции электродов. Стенки
корпуса ограничивали перемещение пластины относительно электродов.
Изменение положения пластины в межэлектродном промежутке вызывало
значительное изменение частоты резонатора. Поэтому такие резонаторы с зазором не
получили широкого распространения.
Зажимное крепление ПЭ характеризовало следующий этап развития
резонаторов. Положение ПЭ фиксировалось в межэлектродном зазоре посредством
разного рода винтовых или пружинных зажимов. Существенный шаг в
усовершенствовании КР с зажимным креплением ПЭ был сделан в 1934 г. известным
советским специалистом в области кварцевой стабилизации частоты Т. М.
Михайловым. Им было предложено упругое зажимное крепление
металлизированных кварцевых пластин. Для уменьшения влияния держателя на
противоположных сторонах пластины вышлифовывались фаски и зажим пластины
осуществлялся по ребрам, образованным пересечением фасок. На рис. 5.23 схематично
показано устройство зажимного держателя. Резонаторы с таким креплением
долгое время превосходили по своим показателям зарубежные КР с зазором,
использовались до 60-х годов, уступив затем место резонаторам с проволочным
креплением. Однако в последнее время интерес к зажимному креплению
возобновился.
В современных ПР используют так называемое проволочное крепление ПЭ.
Термин «проволочное крепление» следует считать несколько условным, так как
96

Рис. 5.23. Кварцедержатель с зажим- Рис. 5.24. Держатели с паяным кре-
ным креплением пьезоэлемента плением:
а, б — проволочным; в — ленточным
наряду с проволочными применяют держатели в виде узких плоских или
профилированных ленточек. На рис. 5.24 изображены варианты крепления ПЭ.
Проволочное крепление характеризуется тем, что детали крепления
(проволочки или ленточки) жестко соединены с ПЭ посредством пайки, приклеивания или
каким-либо иным способом. Проволочные держатели в большинстве случаев
используют также в качестве отводов, посредством которых осуществляется
соединение электродов с выводами ПР.
Держатель является весьма ответственной частью резонатора, существенно
определяющей многие электрические и эксплуатационные характеристики
последнего. Влияние держателя на частоту и амплитуду колебаний ПЭ сложно и
многообразно. Пьезоэлемент и держатель образуют связанную, достаточно
сложную механическую колебательную систему, на частоту и амплитуду колебаний
которой оказывают влияние детали держателя. Наиболее заметно на частоту
резонатора влияют характеристики материала, связывающего ПЭ с держателем,
волноводные свойства проволочных элементов держателя и его силовые
воздействия на ПЭ. Поэтому механические, прежде всего; упругие, характеристики
материалов держателя должны быть стабильными и мало зависеть от темпера*
туры и времени.
Проволочные держатели являются хорошими механическими волноводами,
по которым механические колебания ПЭ могут распространяться и бесполезно
рассеиваться, увеличивая тем самым затухание. Влияние волноводных свойств
проволочных держателей особенно заметно у низкочастотных ПР, пьезоэлемен-
ты которых не имеют пассивных зон колебаний. Уменьшить утечку колебаний
по проволочным волноводам можно резким изменением их волнового сопротив-5
ления, чего можно достичь изменением их поперечного сечения. В этом случае
в месте изменения волнового сопротивления происходит отражение упругой вол«?
ны. Практически это реализуют, устанавливая на проволочных держателях
детали в виде дисков или шариков, называемые отражателями. Упругая волна,
достигая отражателя, возвращается к ПЗ. Имеет значение фаза отраженной;
волны. Нужно, чтобы фаза смещения .отраженной волны совпадала с фазой1
смещений ПЭ. Это условие соблюдается при волновой длине проволочного
держателя, равной четверти упругой волны, распространяющейся по проволочному
Держателю, или нечетному числу таких четвертей. Функции отражателей могут,
4-45 97-;

выполнять детали, к которым присоединяются проволочные держатели (стойки
консоли, выводы, стенки колбы). Важно, чтобы волновая длина держателей в
этом случае удовлетворяла указанному выше условию. Поскольку
присоединение проволочных держателей к ПЭ большей частью осуществляют мягким
припоем в узловых точках смещений, в которых механические напряжения
максимальны, материал припоя оказывается источником заметных потерь. Качество
припоя существенно определяет не только добротность ПР, но и зависимость
частоты и сопротивления от температуры и врехмени.
Опасно старение припоя, характеризующееся ростом зерен и ухудшением
лрочностных характеристик. Температурные характеристики сопротивления
кварцевых резонаторов, проволочные держатели которых припаяны к ПЭ
припоями, содержащими в своем составе свинец, резко увеличиваются с
повышением температуры, в то время как у резонаторов, для монтажа которых был
использован припой, не содержащий свинец, температурные изменения
сопротивления оказываются в несколько раз меньше (см. рис. 10.15).
На частоту ПЭ оказывает влияние также силовое воздействие держателя,
^в частности проволочное крепление. После монтажа ПЭ независимо от способа'
соединения его с проволочными держателями в системе держатель — пьезоэле-
.мент возникают механические напряжения, которые могут изменяться от
разного рода внешних механических и температурных воздействий, а также с
течением времени. Эти внутренние механические напряжения в системе держатель—
льезоэлемент могут быть причиной изменений частоты резонаторов. Силовьп
влияния на частоту резонаторов можно уменьшить выбором мест крепления
держателей к ПЭ, поскольку силовые изменения частоты существенно зависят
от направления действия сил относительно кристаллографических направлений
ПЭ. Необходимо, чтобы упругие и другие механические характеристики
материалов держателя обладали достаточной стабильностью во времени и мало
изменялись в результате внешних воздействий.
Литература к разделу 5
5.1. Состояние и современные тенденции развития производства корпусов
для кварцевых резонаторов/В. 3. Петрова, О. В. Чернова, П. П. Махначеа
я др.//Электронная техника. Сер. 5—1989. — Вып, 4 G7). — С. 66—68.
5.2. Герметизация кварцевых резонаторов для электронных наручных часов
в микроминиатюрных корпусах/С. П. Курочка, Е. П. Мануйлов, А. В. Лехнович
и др.//Электронная техника. Сер. 5. — 1984. — Вып. 2E5). —С. 43—45.
РАЗДЕЛ 6.
ПРОИЗВОДСТВО РЕЗОНАТОРОВ
6.1. Особенности производства
Описываемые ниже особенности производства приведены для сведения
потребителей с тем, чтобы последние понимали их и учитывали как при заказе
резонаторов, так и в течение всего времени взаимоотношений с изготовителем.
С учетом уровня технологии, организации и опыта производства на разные
предприятиях, приведенные сведения могут оказаться полезными при выборе
поставщика. Наконец, некоторые потребители предполагают организовать
собственное изготовление пьезоэлектронных устройств и приведенные сведения
могут оказаться полезными. Резонаторы как типичные представители
компонентов частного применения изготовляются на основе согласованных частных
технических условий, номенклатуры и жестких количественных данных
поставок. Организация оптовой продажи резонаторов поэтому вряд ли возможна.
Пьезоэлектрические резонаторы выпускаются как специализированными
предприятиями, так и специализированными цехами предприятий — потре-
98

Жителей резонаторов. Специализированные предприятия выпускают, как
авило, резонаторы относительно небольшого числа конструктивных
ипов, что позволяет создать механизированное, крупносерийное
производство с линиями сборки и автоматизацией контроля параметров. Иногда
оТи предприятия обеспечивают производство кристаллических
заготовок и пластин, корпусов и других деталей для мелкосерийных предприятий й
специализированных цехов. Поскольку ПР являются элементами частного
применения, подобная организация производства оправдана.
Производство ПР существенно отличается от производства других элемен*
Т0В РЭА. Для него типичны:
наличие большой номенклатуры изделий, определяемой числом
номинальных частот и разнообразием требований к параметрам;
большое число производственных операций и, как следствие, длительность,
цикла изготовления;
сравнительно невысокий уровень автоматизации и механизации, наличие,
большого числа ручных операций, особенно на конечных стадиях;
наличие различных по характеру и составу оборудования технологические
участков;
тщательность, высокая точность и чистота механической обработки деталей;
большое число операций контроля, испытаний и измерений, а также их
сложность и высокая точность;
наличие сложного, преимущественно специального оборудования, оснастки и
инструмента;
требования чистоты производства, граничащие с требованиями гигиены
оптического и вакуумного производства:
наличие кадров рабочих и инженерно-технических работников, специально
подготовленных для производства ПР.
Производство резонаторов характеризуется наличием участков, резко
отличающихся по составу оборудования и характеру технологических процессов.
Это участки разрезки кристаллов на заготовки, механической обработки
(шлифовки и полировки) заготовок, химический участок, на котором
осуществляются операции очистки, травления кристаллических пластин и химических процессов
их металлизации, участок вакуумной металлизации, монтажный участок, участок
настройки, испытаний и проверки электрических параметров, участок
герметизации, включающий стеклодувный участок для вакуумных резонаторов. Кроме
производства собственно ПР на предприятиях иногда имеются специфические
участки по выращиванию пьезокристаллов, изготовлению пьезокерамики и
корпусов. Число операций изготовления, контроля качества, испытаний и измерений
параметров значительно и составляет несколько десятков, увеличиваясь и
усложняясь с повышением сложности и точности изделий [6.1]. Это определяет
длительность цикла изготовления, которая в зависимости от сложности
требований колеблется от двух недель до нескольких месяцев. Учитывая, что для
подтверждения гарантий стабильности частоты цикл изготовления может
включать длительные выдержки и тренировки резонаторов, время изготовления
может существенно возрастать против указанного выше.
6,2. Сырье для производства резонаторов
Основным сырьем для изготовления резонаторов служат однородные
кристаллы пьезоэлектрика (кварца, ТЛ, ЛГС и др.), лишенные каких-либо
дефектов в виде трещин, включений и дефектов строения (двойников, свилей) и пр.
кристаллы должны быть достаточны по размерам, позволяя вырезать из них
заготовки требуемых размеров и ориентации. Кристаллы кварца, пригодные для
зготовления резонаторов, называют пьезокварцем. Ранее сырьем служили при-
? дные кристаллы кварца. Природный пьезокварц являлся весьма редким и
стп°ГИМгтМИНе^альньш сыРьем· Его месторождения имеются в небольшом числе
РоднН'.т ТребнОСТИ в пьезокваРДе росли из года в год и не покрывались при-
ниченШИ ресУРсами· Это обстоятельство в свое время вызвало меры по огра-
ПьезокЮ использования кварцевых резонаторов и экономному использованию
кварца. Одновременно велись изыскания и исследования кристаллов и ма-
4*
99

териалов, способных заменить пьезокварц, а также разработка способов
искусственного его выращивания.
Задача искусственного выращивания кристаллов кварца была успешно
решена к середине 50-х годов, и вскоре было организовано промышленное их
производство, позволившее полностью обеспечить производство резонаторов
кварцевым сырьем и существенно снизить его стоимость.
В настоящее время для производства резонаторов используют искусственное
кварцевое сырье, качество которого не только не уступает природному, но и
превосходит его. Искусственные кристаллы имеют почти одинаковые
стандартные размеры и форму, практически не имеют таких внутренних дефектов, как
двойники. Кристаллы кварца выращивают гидротермальным методом, т. е. й
автоклавах из водных, слабо щелочных растворов при высоких температурах
(И давлениях.
Кристаллы «сильных» пьезоэлектриков (танталата лития, лангасита, метабо-
рата лития) выращивают из расплавов, например, методом Чохральского.
6.3. Разделка кристаллов и ориентация заготовок
"Кристаллы разрезают на блоки и заготовки на специальных станках
алмазным режущим инструментом (пилами). Эти станки, сходные по своему
устройству с фрезерными, имеют суппорты для крепления кристаллов, позволяющие
точно устанавливать их грани по отношению к плоскости распила. Станки
имеют ручную или автоматическую подачу. Существуют более производительные
модели 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.
Последние годы алмазная резка кристаллов вытесняется так называемой
штрипсовой резкой, позволяющей использовать обычные порошкообразные
абразивы (наждак, корунд) мелкой зернистости. Штрипсовые пилы позволяют
одновременно разрезать большое число кристаллических блоков и получать
заготовки с высокой чистотой обработки и малыми припусками на дальнейшую
их обработку. Штрипсовая резка не только более производительна, но и
обеспечивает лучшее качество заготовок.
Вырезанные заготовки должны иметь определенную, притом весьма точную
ориентацию граней по отношению к кристаллографическим осям кристалла. Эта
точность составляет от 1 до 5 угловых минут. Контроль угловой ориентации
заготовок (углов среза) осуществляют на специальных установках (рентгеного-
ниометрах), позволяющих измерять эти углы с точностью до долей минуты.
Поэтому резка кристаллов обязательно сопровождается контролем углов среза
заготовок и вырезанных блоков и при необходимости коррекцией плоскости
среза соответствующим поворотом суппорта. После разрезки блоков на заготовки
измеряют углы среза последних, производят сортировку и заготовки, углы среза
которых выходят за пределы допуска, подвергают соответствующей коррекций
путем подшлифовки. Существует несколько способов исправления углов среза
заготовок, как ручных, так и станочных.
6.4. Шлифовка кварцевых пластин
Вырезанные заготовки кристаллических пластин подвергаются дальнейшей
механической обработке для придания им окончательной формы и размеров, а
также нужной чистоты обработки поверхностей. Форма и размеры пластины
определяют (при соблюдении точности ориентации) частоту и другие
электрические характеристики, а чистота обработки — уровень потерь при колебаниях
й стабильность частоты во времени. Чистота обработки в самом худшем случае
определяется классом 9, достигая для высокостабильных и высокочастотных
резонаторов самого высшего класса A3... 14). Шлифовка пластин
осуществляется свободным абразивом, в несколько переходов, с последовательным умень-
100

хпением величины абразивного зерна. Иногда используется шлифовка связанным
абразивом (алмазными кругами) на шлифовальных станках для обработки
металлов. Шлифовка связанным абразивом используется на операциях более
грубой обработки. Для обработки кварцевых линз используют специальные станки
с трубчатым алмазным инструментом. Для шлифовки заготовок используют
абразивные порошки карбида бора, наждака и корунда. Шлифовку производят в
три-четыре перехода, заканчивая ее абразивом с величиной зерна от 14 до
5 мкм. Для высокостабильных и высокочастотных резонаторов требуется еще
более тонкая обработка — шлифовка порошком с зерном 2... 3 мкм, а также
полировка. Для высокочастотных пластин необходимо достигнуть не только
высокой точности размеров, определяющих частоту, но и хорошей плоскопарал-
лельности сторон — порядка 1 мкм или его долей. При каждом переходе
шлифовка данным абразивом должна удалять слой разрушенный предыдущей
более грубой обработкой, и только выполнение этого требования обеспечивает
нужную добротность и стабильность частоты резонатора [б, 8].
В кварцевом производстве с успехом используется как типовое оптическое
оборудование для обработки стекла, так и специально разработанные
шлифовальные и полировальные станки для одно- и двухсторонней обработки,
учитывающие особенности обработки кристаллических пластин. Преимущественно
используется оборудование для двухсторонней шлифовки и полировки пластин как
более производительное, обеспечивающее плоскопараллельность и позволяющее
контролировать частоту в процессе обработки. Точности обычных измерительных
инструментов для контроля линейных размеров пластин на последних операциях
обработки оказывается недостаточно, и окончательный контроль осуществляется
непосредственным измерением частоты пластин. Для этого периодически
измеряют частоту одной или нескольких пластин, прерывая процесс шлифовки, или
осуществляют непрерывный контроль частоты в процессе шлифовки.
Шлифовка пластин должна быть закончена так, чтобы частота их находилась в
пределах достаточно жесткого допуска.
6.5. Очистка и травление кристаллических пластин
После распиловки и каждой операции шлифовки производят очистку
заготовок промывкой различными растворителями и водой. Последней операцией
обработки заготовок является травление. Кварц травят в плавиковой кислоте
или ее соединениях. Для других пьезоэлектриков используют другие травители.
Травлением удаляют остатки продуктов обработки, а также нарушенный
процессами шлифовки поверхностный слой. Пластины подвергают прокаливанию
при температуре 450 °С и медленному охлаждению с целью уменьшения
механических напряжений. Для очистки широко используют ультразвуковые моечные
установки. Моющие жидкости — вода, органические жидкости, кислоты и
щелочи. Качество очистки пластин существенно определяют характеристики
стабильности частоты резонаторов. Практикуется также очистка пластин деиони-
зированной водой. Сопротивление деионизированной воды после промывки
является объективным критерием качества очистки кристаллических элементов.
Перед вакуумной металлизацией нередко осуществляют очистку пластин ионной
бомбардировкой или облучением ультрафиолетовыми лучами. Травление
кварцевых пластин в плавиковой кислоте или других травителях (раствор бифто-
рида аммония) используют не только для очистки и соответствующей
обработки поверхности, но и для подгонки их частоты.
Внедряются методы сухого ионного и плазмо-химического травления,
позволяющие получать тонкие пластины толщиной до 10 мкм с толстым ободом по
краю (мембранные ПЭ), что увеличивает их прочность и облегчает обращение,
с ними.
6.6. Металлизация пьезоэлементов
Протравленные, тщательно очищенные от возможных загрязнений
пластины поступают на участок металлических покрытий. Электродные покрытия
наносят на кристаллические пластины различными методами. На низкочастотные
101

ПЭ наносят никелевые покрытия химическим способом. Для повышения адгезии*,,
покрытия никелированные пластины подвергают отжигу в вакууме при
температуре 400 °С [6.2, 6.3]. Никелевые покрытия позволяют применять
непосредственную припайку к ним проволочных держателей.
На высокочастотные ПЭ перед нанесением электродных покрытий нанося!
Контактные площадки, к которым присоединяются держатели. Обычно
контактные площадки осуществляют вжиганием специальной пасты, представляющей
смесь дисперсного серебра с порошком легкоплавкой эмали и органической
связкой. Вжигание этой пасты производят в туннельных или муфельных печах при
температуре 470... 500 °С, что обеспечивает прочное соединение возжженного
серебра с кварцем [6.4]. Далее на пластины наносят электродные покрытия
испарением металла в вакууме. Для этого могут быть использованы типовые
установки, применяемые в микроэлектронике для нанесения тонких пленок.
Нанесение электродных покрытий вызывает изменение частоты ПЭ, поэтому эта
операция контролируется (по времени или непрерывным измерением частоты).
Если нанесение электродных покрытий осуществляется без контроля частоты, то
Массу покрытия заведомо делают меньше необходимой, а затем наращивают,
Например, гальванически или вакуумным способом до тех пор, пока частота не
Достигнет требуемого значения. После этого пластины прокаливают, чтобы
стабилизировать структуру электродных покрытий.
В качестве материалов для электродных покрытий высокочастотных ПЭ
Используют преимущественно серебро, а на частотах выше 30 МГц — алюминий.
Многие предприятия с успехом используют вместо серебра медь, сплавы меди с
оловом или никелем и никель. Для повышения адгезии электродных покрытий
на кварцевые пластины наносят тонкий подслой хрома, ванадия или марганца.
Использование медно-никелевых покрытий позволяет исключить операцию
вжигания серебряных контактных площадок. Отмечается улучшение
характеристик старения у резонаторов с никелевыми и медно-никелевыми электродами.
Для замены трудоемкого способа вжигания серебряной пасты используется
технологический процесс вакуумного напыления никелевых или медно-никеле-
Вых пленочных контактных площадок. Это позволяет производить монтаж ПЭ
с алюминиевыми электродами в держатели посредством пайки.
Отжиг и термотренировку ПЭ осуществляют в вакуумных печах и
специализированных установках для вакуумного отжига при температуре 300 ... 500 °С.
6.7. Монтаж пьезоэлементов
Монтаж ПЭ обычно осуществляется пайкой мягким припоем. Монтаж
вакуумных резонаторов осуществляют припоями с повышенной температурой
плавления 230 ... 260 °С. Монтаж ПЭ является ответственной операцией. На
электрические параметры влияют состав припоя, его количество, точность крепления
держателей к ПЭ и стойкам. Существенно влияют на параметры резонаторов
механические напряжения в системе крепления. Уменьшению и устранению этих
Напряжений при монтаже уделяется особое внимание.
После монтажа держатели со смонтированными ПЭ моют с целью удаления
остатков флюса и подвергают нагреву при температуре 150... 200 °С для
уменьшения напряжений в ПЭ и держателях, возникших после монтажа. Нагрев
желательно осуществлять в вакууме или инертной атмосфере.
Для монтажа ПЭ кроме пайки используют вжигание пасты, сварку,
термокомпрессию и приклейку проводящими клеями. В отечественном производстве
из этих способов монтажа нашло применение вжигание, используемое при
монтаже ПЭ вакуумных резонаторов в стеклянных корпусах типа К, поскольку при
заварке последних ПЭ подвергаются нагреву до высокой температуры,
достигающей 300° С. Для резонаторов повышенной стабильности частоты используется
так называемое «гальваническое» крепление, основанное на гальваническом за-
ращивании места соприкосновения контактной площадки ПЭ с держателем
слоем никеля или меди толщиной 15... 20 мкм. Прогрессивный способ монтажа ПЭ
Проводящим клеем используют некоторые отечественные предприятия, но он не
Нашел еще широкого распространения, как это имеет место за рубежом.
102

6,8. Окончательная настройка частоты
Если до и после монтажа ПЭ частота была настроена, то после пролежи-
вания и термотренировок она несколько изменяется и перед герметизацией
требуется ее коррекция и дополнительная подстройка. Следует учитывать, что
после герметизации, заполнения сухим газом или вакуумирования частота также
изменяется. В связи с этим были разработаны способы, позволяющие
корректировать частоту после установки ПЭ в корпус, герметизации и вакуумирования.
Окончательную настройку низкочастотных резонаторов чаще
осуществляют подшлифовкой граней или ребер ПЭ абразивным бруском. Широко
используется также способ, известный как способ настроечных масс. На поверхность
ПЭ напаивают небольшие частицы припоя, массу которых затем можно либо
уменьшать, либо увеличивать, изменяя тем самым частоту ПЭ [6.5]. Иногда
используют способ настройки, основанный на увеличении или уменьшении массы
нанесенных электродных покрытий. Указанные способы позволяют как
повышать, так и понижать частоту ПЭ.
Высокочастотные ПЭ настраивают, как правило, изменением массы тонких
электродных покрытий. На многих предприятиях для этого используют
гальванический способ, при котором на электродные покрытия наращивают (или
удаляют) тонкий слой металла (серебра, золота, никеля).
Более совершенным является способ вакуумной настройки, при котором на
специальных вакуумных установках наносят тонкую пленку проводящего, пло-
хопроводящего (резистивного) или непроводящего (диэлектрического)
материала. При этом ПЭ включают в схему генератора, что позволяет контролировать
изменение частоты в течение всего процесса настройки, прекращая его в ???
момент, когда частота окажется в пределах нужного допуска. Нанесение рези-
стивных 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 парами йода. Однако
соединение серебра с йодом (йодистое серебро) недостаточно стабильно (разлагается
при действии света), что ограничивает использование этого простого и удобного
способа настройки.
Широко используется также способ настройки частоты в газовом разряде,
основанный на воздействии на поверхность электрода ионизированных частиц
газа (ионная бомбардировка), вследствие чего частота резонаторов
повышается. Этим способом возможна настройка частоты после герметизации
резонаторов. Он используется также для настройки частоты вакуумных резонаторов
[6.6]. Для окончательной настройки частоты (чаще резонаторов в стеклянных
баллонах) используют воздействие лазерного луча на электродные или
специальные настроечные покрытия. Лазерная настройка широко применяется в
производстве микрорезонаторов.
6.9. Герметизация и контроль резонаторов
Основная масса резонаторов выпускается в плоских металлических
корпусах типов Б и М. Соединение основания корпуса с кожухом осуществляется
посредством пайки мягким припоем. На большинстве предприятий эту операцию
осуществляют, используя нагрев корпуса токами высокой частоты. Для
улучшения качества паяного соединения осуществляется дополнительная пайка шва
вручную с применением небольшого количества флюса. К сожалению, эта
операция приводит к проникновению следов флюса внутрь корпуса, изменению
частоты и ухудшению стабильности частоты во времени. После запайки корпуса
производится заполнение его внутреннего объема сухим воздухом или инертным
газом через отверстие в кожухе, которое затем запаивается.
Металлические корпуса герметизируются также посредством электросварки.
Корпуса от транзисторов и микросхем сваривают, используя типовое
оборудование для конденсаторной сварки. Этот процесс хорошо зарекомендовал себя,
103

так как он вносит меньшие загрязнения, чем пайка, и более производителен,
так как одновременно с герметизацией производится и заполнение внутреннего
объема корпуса инертным газом, поскольку сварку проводят в защитной среде.
Широко используется лазерная сварка, однако она менее производительна а
более дорога.
Перспективна сварка давлением (холодная сварка). Этот способ
используется для герметизации круглых корпусов типа ? и плоских корпусов типов
БиМ.
За рубежом металлические корпуса с холодносварным соединением
используют не только для герметичных, но и для вакуумных резонаторов. Выпуск
таких резонаторов, которые заменяют устаревшие конструкции корпусов типов Б
и ? с паяным соединением, возрастает.
Соединение частей стеклянных корпусов вакуумных резонаторов
осуществляют большей частью посредством сварки на газовом пламени. При малом
объеме производства эту операцию выполняют вручную на газовой горелке. При
большом объеме выпуска используют одношпиндельные или многошпиндельные
станки для заварки колб радиоламп. После заварки производят откачку
воздуха на типовых откачных установках. Корпуса типов КА и КБ соединяют,
используя нагрев места соединения токами высокой частоты в вакууме, для чего
между основанием и колпачком прокладывают тонкое кольцо из ковара.
При изготовлении MP получил распространение метод холодной
герметизации, получивший название напрессовки [6.7].
После герметизации осуществляются контроль и, если необходимо,
подстройка частоты, далее маркировка резонаторов, испытания и измерения их
электрических параметров. Для сложных и точных резонаторов трудоемкость
процесса испытаний и измерений составляет половину всей трудоемкости, а
иногда и превышает ее.
Изготовленные резонаторы подвергают различного рода тренировкам:
температурным, механическим, электрическим, после чего они поступают на
приемосдаточные испытания. Ценность таких тренировок существенно возрастает, если
измеряется частота до и после тренировок. Эти данные могут быть важными
показателями качества резонаторов.
Краткое описание процессов производства резонаторов приведено не
только для подтверждения его сложности и длительности. Заказчикам при выборе
поставщика необходимо учитывать технический уровень производства.
Заказчики могут активно воздействовать на изготовителей и стимулировать внедрение
новых технических достижений.
На производство резонаторов все большее влияние оказывают достижения
и методы микроэлектроники. Современное производство MP большей частью
использует групповые методы изготовления, заимствованные из микроэлектроники
(фотолитография и травление, а также сходные методы монтажа).
Литература к разделу 6
6.1. Elgarhi Sh. Schwingungquarze— passive bauelemente mit aktive rolle//
Nachrichten Elektronik+Telematik.— 1987. — Vol. 41, N 3. —S. 90—92.
6.2. Поздняков П. -Г., Андросова В. Г. Нанесение прочных никелевых
покрытий на кварцевые пластины//Вопросы радиоэлектроники. Сер. III.— 1965.—
Вып. 5. — С. 46—58.
6.3. А. с. 127293 СССР. Нанесение прочных никелевых покрытий на
кварцевые пластины/П. Г. Поздняков, В. Г. Андросова.— Опубл. 1960, Бюл. № 7.
6.4. А. с. 106175 СССР. Способ нанесения дисперсного серебра на
кварцевые пластины/П. Г. Поздняков, В. Г. Андросова. — Опубл. 1957, Бюл. № 5,
6.5. А. с. 155183 СССР. Способ регулировки частоты кварцевых резонато-
ров/П. Г. Поздняков. — Опубл. 1963, Бюл. № 10.
6.6. А. с. 100266 СССР. Способ регулировки частоты вакуумных
пьезоэлектрических резонаторов/П. Г. Поздняков. — Опубл. 1957, Бюл. № 1.
6.7. Курочка С. П., Мануйлов Е. Н., Лехнович А. В. Герметизация
кварцевых резонаторов для электронных наручных часов в микроминиатюрных
цилиндрических корпусах//Электронная техника. Сер. 5.— 1984. — Вып. 2. — С.
43-45.
104

РАЗДЕЛ 7.
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ
7.1. Общие сведения
Среди множества поликристаллических материалов, используемых в
радиоэлектронике, особую группу образуют керамические материалы, обладающие
пьезоэлектрическими свойствами (пьезокерамика). Открытию
пьезоэлектрических свойств в некоторых новых веществах предшествовало открытие в 1944 г.
советским ученым Б. М. Вулом сегнетоэлектрических свойств титаната бария
ВаТЮ3. Независимо и одновременно эти свойства татаната бария (ТБ) были
обнаружены американскими и японскими исследователями. Сегнетоэлектрики
обладают высокими значениями диэлектрической проницаемости, что
способствовало их применению в разработках малогабаритных конденсаторов. Позже
A947—1949 гг.) С. Роберте, У. Шерри, Р. Адлер, А. Хиппель и У. Мэзон (США),
А. В. Ржанов (СССР), К. Абу и Т. Танака (Япония) обнаружили пьезоэффект
у керамики из ТБ, поляризованной сильным электрическим полем (порядка 1
кВ/см). Было установлено, что пьезоэффект у керамики из ТБ обнаруживается
те только при воздействии внешнего поляризующего поля, но сохраняется и
долго существует после снятия внешнего поля. Такой пьезоэффект называют
наведенным.
Пьезоэффект в керамике из ТБ и других керамических материалах
наблюдается в так называемой сегнетоэлектрической области, ограниченной
температурами фазовых переходов вещества керамики. Сегнетоэлектрические
свойства, существующие в определенной для каждого вещества области
температур, характеризуются наличием спонтанной (самопроизвольной) поляризации и
доменной структуры. В этом отношении сегнетоэлектрики сходны с
ферромагнетиками и вследствие аналогичности доменных структур сегнетоэлектрики часто
называют ферроэлектриками, особенно в зарубежной научной литературе.
Спонтанная поляризация характеризует повышенное значение диэлектрической
проницаемости, которое может на несколько порядков превышать ее значение для
обычных диэлектриков. Точки фазовых переходов, за пределами которых
исчезают сегнетоэлектрические свойства, по аналогии с ферромагнетиками
называют точками Кюри. Наведенный пьезоэффект исчезает за пределами точки
Кюри. Отожженная при температуре выше точки Кюри пьезокерамика теряет
пьезоэлектрические свойства подобно тому, как стальной магнит после отжига
теряет намагниченность.
В поляризованной пьезокерамике происходит ориентация отдельных
доменов в направлении поляризующего поля, которая сохраняется, хотя и
несколько уменьшается, после снятия внешнего поля. Поляризация облегчается,
происходит быстрее и интенсивнее при нагреве сегнетоэлектрика до температуры
точки Кюри, после выдержки и медленного снижения до нормальной
температуры. Таким образом, поляризованную сегнетокерамику следует рассматривать
как пьезоэлектрическую текстуру. Фундаментальные исследования
пьезоэлектрических текстур впервые были осуществлены А. В. Шубниковым в 1943 г. [7.1].
Сведения о сегнетоэлектриках и пьезокерамике имеются во многих источниках,
например [3—5, 12, 24, 27, 30, 44, 49].
Керамика из ТБ как сегнетоэлектрик и пьезоэлектрик стала предметом
тщательного изучения учеными многих стран, что стимулировало поиски и
других керамических сегнетоэлектриков. Число обнаруженных сегнетоэлектриков
быстро росло и к настоящему времени составляет более тысячи. В СССР
поиски и изучение сегнетоэлектриков осуществлялись Г. А. Смоленским и его
сотрудниками (Ленинград), И. С. Желудевым и Л. А. Шуваловым (Москва,
ИКАН), Е, Г. Фесенко (Ростов, ? ГУ) и многими исследователями из других
городов страны.
Несмотря на сильный пьезоэффект керамики из ТБ она получила
ограниченное применение из-за низкой температуры точки Кюри A20 °С) и
нестабильности многих характеристик. Было обнаружено, что добавки окислов не-
105

которых металлов в состав керамики из ТБ, например титаната свинца и ти-
таната кальция, улучшают параметры пьезокерамики (повышают точку Кюри,,
устраняют фазовые переходы в области рабочих температур). Составы
керамики на основе ТБ использовались преимущественно для ультразвуковых
преобразователей. Пьезокерамика из ТБ с добавками титанатов свинца и кальция
использовалась для широкополосных фильтров промежуточной частоты в
радиовещательных приемниках.
В США пьезокерамика была синтезирована на основе смеси титаната-цир-
коната свинца; она имела более высокую температуру точки Кюри C00 °С) и
более чем вдвое большие пьезоэлектрические коэффициенты. За рубежом она
получила обозначение Р2Т по начальным буквам входящих в ее состав
элементов. В отечественной литературе используется аббревиатура ЦТС (цирконат-
титанат свинца).
Пьезокерамика из ЦТС использовалась более широко, чем керамика на
основе ТБ. Исследовались свойства керамики, модифицированной добавкам»:
других окислов, преимущественно трех- и пятивалентных металлов (лантана,
ниобия, тантала, хрома). При этом были получены составы, улучшающие те
или иные параметры, например ТКЧ, коэффициент ЭМС. Создание сложных по.
составу систем (тройных, четверных) керамических материалов является одним;
из основных методов изменения тех или иных характеристик и получения
материалов с заданными свойствами, наиболее удовлетворяющими те или иные
области их применения.
Другими методами улучшения характеристик керамики служат различные
технологические приемы, позволяющие получать мелкозернистую, более плотную.
и однородную по составу керамику.
Не останавливаясь на подробностях описания процессов изготовления
керамики, укажем, что получение пьезокерамики с заданными свойствами
связано с повышенными требованиями к чистоте исходных материалов и
исключению загрязнений состава в процессе производства. В настоящее время
используют различные технологии и прежде всего классическую керамическую
технологию, при которой компоненты (обычно окислы металлов) механически
смешивают, измельчают, прессуют, подвергают обжигу, при котором происходит
синтез требуемых соединений. Синтезированный материал измельчают, после чего
из него прессуют заготовки ПЭ необходимых размеров и формы, подвергают
обжигу при высокой температуре, при которой происходит спекание и
образование плотной, малопористой керамики. Эта технология не позволяет
получать особо мелкозернистую и плотную керамику. Разбросы электрических
параметров от партии к партии существенно затрудняют изготовление ПЭ с
требуемыми параметрами и уменьшают выход годных изделий.
7.2. Основные пьезокерамические материалы
Требования к пьезокерамике разнообразны и зависят от назначения и
области применения изделий. С момента открытия пьезоэлектрических свойств ji
керамического ТБ создано много пьезокерамических материалов, однако
практическое применение нашли несколько групп.
Материалы на основе титаната бария. Используется титанат бария при?
температурах не выше 50 °С, его ТКЧ порядка 100· 10~6°С-1. Введение в ТБ
модифицирующих добавок позволяет широко варьировать его свойства.
Ь -:!ие простых добавок не уменьшило заметно температурную
стабильность метров, и ТБ не нашел применения как материал для резонаторов.
Материалы на основе тройной системы титанат бария — титанат свинца —
титанат кальция. Пьезокерамика этой системы твердых растворов имеет
несколько более высокую температуру точки Кюри A30° С) по сравнению с ТБ,
более высокие значения коэффициента ЭМС и добротности. Ее недостатком
являог-" низкая температурная и временная стабильность параметров.
По данным Мэзона, изменение частоты за год достигает 1,5 ...2,0%,
уменьшение коэффициента ЭМС 15 ...20%, а добротности более чем вдвое.
Модифицированная керамика на основе ТБ не нашла широкого
применения, поскольку были найдены другие составы.
106

Материалы на основе ниобата бария —ниобата свинца. Температура
точки Кюри материалов этой ниобатовой системы составляет 220... 300 °С, что
дает возможность использования их при температурах до 150 °С. Они
характеризуются относительно высокой температурной стабильностью частоты и других
параметров, что позволяет использовать их для широкополосных ПР.
Материалы на основе твердых растворов титаната-цирконата свинца (ЦТС).
Твердые молярные растворы ЦТС являются сегнетоэлектриками, если
содержание титаната свинца составляет более 10%. Практические применения нашли
составы ЦТС, модифицированные добавками в твердый раствор ЦТС
небольшого количества трех- и пятивалентных элементов, таких как лантан, ниобий,
тантал и хром, что увеличивает коэффициент ЭМС до 0,5, диэлектрическую
проницаемость до 1500 и повышает температурную и временную стабильность
резонансной частоты.
Введение хрома в твердый раствор ЦТС резко изменяет микроструктуру
пьезокерамики. Размер зерна в этом случае уменьшается до 1 ... 2 мкм, что
повышает добротность и уменьшает ТКЧ материала. Возможности повышения
временной и температурной стабильности материалов системы ЦТС вызвало к
ним повышенный практический интерес.
Как правило, эффект модификации пьезокерамики ЦТС состоит в
изменении диэлектрических и механических свойств после термической и
электрической обработки. Старение модифицированной керамики меньше, чем
^модифицированной. Механические и электрические потери в модифицированной
керамике при слабых полях несколько выше, а удельное сопротивление постоянному
току намного выше (более чем на три порядка при температуре 200 °С),
диэлектрическая проницаемость материала выше, а модуль упругости меньше.
Модифицированная пьезокерамика ЦТС характеризуется следующими
параметрами:
Плотность ...**»·· 7,3. 7,8 г/см3
Диэлектрическая проницаемость . . . 240... 1500
Пьезомодуль da
Пьезомодуль <^зз
Температура Кюри . .
Коэффициент ЭМС (радиальный)
Температурный коэффициент частоты
Добротность
Скорость звука
50 ... 300 Кл/Н
200 ... 500 Кл/Н
280 ... 470°С
0,4 ...0,5
C0 ... 50) -10 °С-*
100... 1500
C ....3,6) -ТО3 м/с
Благодаря улучшенным пьезо- и диэлектрическим характеристикам, а
также возможности вариации параметров материалы системы ЦТС занимают
доминирующее положение среди других пьезокерамических материалов в
устройствах частотной селекции, приемоизлучающих гидроакустических
преобразователях, электроакустических устройствах, пьезотрансформаторах, датчиках для
виброметрии, дефектоскопии.
7.3. Параметры пьезокерамических материалов
В зависимости от назначения пьезокерамические материалы согласно ГОСТ
13927—80 подразделяются на следующие четыре класса:
I класс — пьезокерамические материалы для высокочувствительных
пьезоэлементов, работающих в режимах приема и излучения в заданных
интервалах температуры и времени;
II класс — пьезокерамические материалы для пьезоэлементов, работающих
в режимах приема и излучения при воздействии сильных электрических полей
и механических напряжений;
III класс — пьезокерамические материалы для пьезоэлементов, обладающих
повышенной стабильностью частотных характеристик в заданных интервалах
температуры и времени;
IV класс — высокотемпературные пьезокерамические материалы,
применяемые для работы при температурах выше 250 °С.
107

Необходимо отметить, что общими ограничениями для практического
применения пьезокерамического материала являются температура точки Кюри,
нелинейность параметров при конечных электрических и механических
напряжениях.
7.4. Технология производства пьезокерамических материалов
По принятой в настоящее время схеме технологии производства
пьезокерамических материалов на первой стадии производства готовится механическая
смесь порошков оксидов составляющих синтезируемого материала. На второй,
стадии при высокотемпературной обработке образуется твердый раствор с
требуемым стехиометрическим составом и свойствами. Сырье для синтеза пьезо-
керамики должно иметь содержание основного вещества более 99,7%.
Количество примесей в сырье должно быть минимальным и постоянным от цикла к.
циклу. Кроме того, исходные составляющие должны иметь постоянную
кристаллическую структуру и высокую дисперсность.
Подготовка исходного сырья включает дозировку и смешивание
компонентов, совместный помол составляющих порошков оксидов. После
дополнительного помола смесь подвергается магнитной сепарации с целью удаления
частиц магнитных материалов.
Гомогенизированную смесь порошков окислов или солей исходных
компонентов в виде брикетов либо в свободном насыпном виде нагревают, б
результате чего происходят твердотельные реакции (синтез). Полученный
конгломерат измельчают, формируют из порошков заготовки, которые подвергают
высокотемпературной обработке (обжигу), в результате чего образуется сегяето-
керамическое тело. После механической обработки заготовок на их поверхность
наносят электроды и постоянным электрическим полем поляризуют, в
результате чего хаотически расположенные домены сегнетокерамики
упорядочиваются и заготовка приобретает пьезосвойства.
Более совершенна химическая технология синтеза, предусматривающая
молекулярное смешение растворов соединений титана, циркония, свинца и других.
компонентов с последующим выделением из растворов тонкодисперсной
однородной смеси, содержащей вышеуказанные компоненты в требуемых
пропорциях, определяемых составом материала ЦТС. Для получения тонкодисперсной
гетерогенной смеси применяется либо совместное осаждение необходимых
элементов в виде труднорастворимых соединений, либо распылительная сушка
растворов, содержащих смеси легко разлагающихся соединений элементов в
заданном соотношении. Смесь компонентов, образующаяся таким образом,
гораздо однороднее смеси, получающейся при механическом смешивании, а
размеры частиц меньше (достигают 1 мкм).
Известен также метод получения порошков оксидов металлов, основанный
на термическом разложении гидрооксополимера металлопродукта реакции
щелочного гидролиза, не расслаивающегося на осадок и маточный раствор. Такой
способ, получивший название пергидрооксополимерного (ПГП-синтез),
обеспечивает получение особо чистых субмикронных порошков оксидов циркония и*
титаната и может быть применен для создания особо плотной пьезокерамики.
Пьезоактивность и добротность керамики из порошков, полученных по ПГП-
технологии, выше, а разбросы параметров в 2 раза меньше, чем у керамики,
полученной химическим совместным осаждением.
Наибольший интерес представляет технология, основанная на
использовании порошков цирконата-титаната свинца, полученного смешением исходных
компонентов на молекулярном уровне в растворах с последующим их
осаждением и прокалкой. Далее к полученному ЦТ-порошку добавляют путем
механического смешивания модифицирующие добавки и порошки окислов свинца.
Исключение операций помола и смешивания способствует уменьшению намола от
мелющих тел. Предварительный помол модифицирующих добавок
обеспечивает их высокую дисперсность и позволяет на операциях смешивания
обеспечить высокую однородность их распределения в шихте. За счет понижения
температуры термообработки образуются не твердые «спеки», а заготовки в виде
«коржей», которые легко протираются через сито. В целом ЦТ-технология поз-
108

золит сократить число и интенсивность помольно-смесительных операций и
повысить воспроизводимость химического состава пьезоматериалов.
Массовое производство пьезокерамики осуществляется в основном
совершенствованием традиционной керамической технологии. Технологический
процесс керамических ПЭ следует разделить на два этапа: изготовление
керамической заготовки и изготовление керамического ПЭ.
Целью первого этапа является придание порошкообразному
синтезированному материалу необходимой формы и его спекание. Форму придают
известными для керамической технологии методами: сухой, полусухой прессовкой,
литьем, протяжкой и др.
Спекание (обжиг) заготовок может производиться либо без приложения
внешнего механического давления, либо под воздействием внешнего
механического давления (одноосное горячее прессование, изостатическое горячее
прессование, горячая штамповка, горячая прессовка и др.). Наиболее
распространенным способом является сухое или полусухое прессование, что
обусловлено его высокой производительностью и сравнительной простотой.
Порошкообразный материал смешивают со связкой (пластификатором), в качестве
которого применяют парафин, бакелитовый лак, поливиниловый спирт и др. Удельное
давление прессования зависит от качества помола порошка, материала
пластификатора, формы, высоты изделия ив среднем колеблется от 500 до 1500 кг/см2.
Сухим прессованием можно изготовлять изделия простой формы (диски,
пластины, кольца). При этом возможна автоматизация процесса прессования.
Отпрессованные заготовки выдерживают при комнатной температуре в течение
12... 24 ч и после сушки при температуре 100... 120 °С подвергают спеканию
(обжигу). Операция обжига завершает изготовление заготовки и обеспечивает
относительно полное спекание керамики. Этот этап особенно важен, так как
наряду с процессом образования монолитной керамической заготовки
происходит окончательное формирование микроструктуры материала. Для получения
заданных свойств керамики, определяемой свойствами порошкового материала
(размером частиц, удельной поверхностью, плотностью упаковки и т. п.),
существенны температурные, временные, атмосферные режимы обжига. При
обжиге возникает задача сохранения заданного состава материала из-за потерь
летучих окислов свинца и других компонентов. Это достигается максимальным
заполнением объема капсул пьезозаготовками и введением атмосферообразова-
телей и засыпок, компенсирующих потери улетучивающихся компонентов. G
целью предотвращения улетучивания свинца обжиг пьезокерамики проводят в
никелевых или алундовых капсулах с крышками.
Большое значение для получения качественных ПЭ со стабильными
электрофизическими и механическими свойствами имеет температура спекания, время
выдержки при максимальной температуре, используемый тип печей (туннельные^
камерные, муфельные) и способ обжига (капсульный, при котором изделия
размещают в огнеприпасе в виде короба-капсуля, и бескапсульный).
Непосредственно сам процесс обжига можно условно разделить на три стадии: нагревание до
максимальной температуры, выдержка на достигнутой температуре 3... 4 ч ж
охлаждение.
При повышении температуры в материале происходит сгорание органических
примесей, испарение адсорбционной влаги, образование твердых растворов и
новых фаз, спекание, кристаллизация, упрочнение. По сравнению с
высокотемпературным синтезом обжиг осуществляется при более низкой температуре.
Разность температур синтеза и обжига может достигать 320 °С. Скорости
нагрева и охлаждения при обжиге также несколько ниже, чем при синтезе, и
составляют при нагреве 60... 100 °С и при охлаждении 80... 120°С/ч. Общая
продолжительность технологической операции обжига 35... 40 ч.
Свойства пьезокерамических ПЭ могут быть значительно улучшены
прессованием в вакууме, одноосным или изостатическим горячим прессованием.
Прессование в вакууме при разряжении 20 мм рт. ст. повышает плотность
заготовок из-за удаления воздуха из пресс-порошка. Способ не получил широкого-
распространения из-за технологических трудностей.
Широкое распространение получило одноосное горячее прессование. Оно*
обеспечивает получение пьезокерамических заготовок с повышенной плотностью
и возможность автоматизации данного процесса.. Принципиальное отличие го-
109

рячего прессования от полусухого заключается в том, что оно объединяет два
процесса — собственно прессование и обжиг. Пресс-форма и пуансоны
изготовляются из карбида кремния или высокопрочной окиси алюминия. Для защиты
пресс-форм от воздействия соединений свинца заготовки помещают в засыпку из
стабилизированных оксидов циркония и алюминия. При горячем прессовании
уменьшаются температура и время спекания, что обеспечивает получение более
мелкозернистой керамики, плотность которой при этом близка к теоретической
G,8 ... 7,9 г/см3). Благодаря уменьшению пористости и воздушных включений в
заготовке улучшаются пьезоэлектрические свойства, повышается
диэлектрическая проницаемость и прочность.
Изостатическое горячее прессование является одной из разновидностей
горячего прессования, которая отличается тем, что образец помещается в
тонкостенную вакуумируемую капсулу. Капсула с образцом помещается в сосуд
высокого давления, в котором заготовка нагревается и подвергается
всестороннему сжатию инертным газом. Капсула изготовляется из пластичного материала,
стойкого к воздействию соединений свинца при температурах спекания.
Разновидностями спекания с внешним механическим давлением является
горячая штамповка. В этом случае нагретая заготовка пластически
деформируется пуансоном без разрыва свободной боковой поверхности. Далее
осуществляется горячая допрессовка, в процессе которой спеченные заготовки в
глиноземистой засыпке помещают в пресс-форму, нагревают и подвергают
одноосному сжатию.
Метод горячего литья под давлением применяется для изготовления
изделий сложной формы и осуществляется заполнением металлических форм
шликером с выдержкой в течение времени, необходимого для отверждения
шликера. Шликер состоит из керамического порошка и технологической связки, в
качестве которой используется, например, смесь парафина с воском (связка
берется в количестве 20—30% по объему). Для устранения воздушных
включений шликер перед загрузкой вакуумируется. Достоинством этого метода
является достаточная простота технологического процесса, возможность
изготовления изделий сложной конфигурации (сферические элементы, тонкостенные
трубы и др.) [27, 49].
Способ протяжки используется для изготовления керамических ПЭ
трубчатой формы. Протяжка — это вытяжка трубок из пластичной керамической
массы. Протяжка осуществляется на вертикальных прессах с регулируемой
скоростью подачи массы в мундштук, сечение выходного отверстия которого
определяет форму и размер протягиваемого изделия. Пластичную массу
получают пластификацией синтезированного порошка специальной смесью
пластифицирующих связок, например смесью декстрина, тунгового масла и сосновой
смолы, взятых в определенных соотношениях. Для исключения деформации
изделия применяют замедленную постепенную сушку с одновременным
поворотом трубок.
Пленочная технология используется для получения плоских ПЭ толщиной
30.., 40 мкм, которые потом спекаются до требуемой толщины (до Ю-3 м).
Пленки требуемой толщины получают вальцеванием пьезокерамической массы.
Требуется очень точный подбор растворителей, пластификаторов и других
связующих материалов. Достоинством пленочной технологии является значительное
снижение технологических потерь материала (в 3... 4 раза). После обжига не
требуется дополнительная механическая обработка поверхности. Для сохранения
плоскостности пленочные ПЭ обжигаются между двумя атмосферообразующи-
ми брикетами. Иногда литые пленки обжигаются в свободном состоянии или
расположенными на плоской поверхности.
После обжига керамические заготовки подвергают механической
обработке для придания им окончательных формы и заданных размеров. Наиболее
широко используют шлифование заготовок по плоскости на плоско- и круглошли-
фовальных станках. Для плоского шлифования применяют приспособления ?
виде кассет и трафаретов. Круглое шлифование осуществляют на бесцентро-
шлифовальных станках с автоматической подачей деталей из вибробункера.
Наряду с точностью размеров необходимо обеспечивать плоскопараллель-
ность заготовок ПЭ для резонаторов и монолитных фильтров. В ряде случаев
ПО

применяют полирование керамических заготовок. Полирование поверхности
проводят обработкой на фетре с водной суспензией окиси хрома.
Широко используется ультразвуковая обработка для чистовой обработки
поверхности, резки и сверления. В ряде случаев применяют распиловку
керамических блоков на пластины на типовых распиловочных станках,
используемых в кварцевом производстве.
Электроды являются неотъемлемой частью ПЭ и имеют несколько
функциональных назначений. Используются два вида электродов: технологические,
предназначенные для подведения поляризующего напряжения, и рабочие. В
ряде случаев электроды используют для механического крепления ПЭ к
держателю. Для электродов используются серебро, никель, алюминий, медь и
другие проводящие металлы.
Электроды ПЭ могут наноситься вакуумным напылением, вжиганием паст;.гг
металлизацией в плазме газового разряда низкого давления, химическим
осаждением. Наносимые электроды не должны ухудшать параметры изделия, иметь
достаточное сцепление с керамикой, быть долговечными, иметь одинаковую
толщину покрытия и т. п. Качество электродов зависит от материала, способа
нанесения и вида обработки поверхности ПЭ. Наибольшее распространение
получил способ вжигания серебра. Используется также химический способ
нанесения электродов, обычно никелевых. Преимуществом химического способа
является быстрота процесса (до 15 мкм/ч), низкая температура обработки (до
80 °С)> возможность покрытия элементов сложной формы. Недостатком
является воздействие раствора на керамику.
Для ВЧ резонаторов и монолитных фильтров используется вакуумное
напыление электродов. Этот способ обеспечивает большую точность толщины
электродов, что особенно важно для этих устройств.
Обязательной стадией технологии изготовления ПЭ является поляризация.
Для проведения поляризации ПЭ помещают в газообразную или жидкую
среду (трансформаторное масло, силиконовую жидкость, сухой воздух),
уменьшающую вероятность поверхностного пробоя. Степень остаточной поляризации ПЭ
зависит от приложенного напряжения, температуры и продолжительности
процесса. Температура поляризации зависит от состава материала и окружающей
среды. Поляризация на воздухе позволяет свободно изменять температуру и
осуществлять так называемую «горячую» поляризацию, при которой ПЭ
приобретают более выраженные пьезосвойства. Поляризация в трансформаторном
масле производится при температуре ниже температуры вспышки масла (не
выше 50 °С), в силиконовой жидкости — не выше 180 °С. Используются два
способа поляризации.
1. Поляризующее поле включается при температуре ниже точки Кюри.
Образец выдерживается некоторое время в поле, превышающем коэрцитивное,
а затем охлажадется до комнатной температуры. При этом образец не
испытывает фазового перехода. Чем выше температура образца, тем меньше
коэрцитивное поле, спонтанная деформация и тем эффективнее поляризация.
2. Поляризующее поле включается при температуре выше точки Кюри. При
этом образец охлаждается, переходя в сегнетоэлектрическую фазу при
воздействии поля. Это обеспечивает повышенную эффективность поляризации.
Однако после выключения поля происходит частичная деполяризация, несколько
снижающая пьезоактивность.
Пьезокерамика ЦТС имеет повышенную электропроводность вблизи темпе
ратуры перехода. Поэтому поляризацию пьезокерамики осуществляют при
температурах ниже точки Кюри. Используются и другие режимы поляризации,
более пригодные для каждого конкретного случая. Известны режимы с переменой
полярности, импульсный режим, смешанный режим (импульсы -f- постоянное
поле).
Для более эффективной поляризации могут быть применены такие способы»
как предварительная закалка, отжиг при температуре выше точки Кюри,
обработка в сильном электрическом поле инфранизкой частоты, формовка
переменным электрическим полем, а также сочетанием данных методов.
Пьезокерамические элементы подвержены значительному временному и
температурному старению, что вызывает изменение их пьезоэлектрических и
диэлектрических свойств.
111

В технологическом процессе изготовления ПЭ предусматриваются процессы
стабилизации их свойств. Старение связано с уменьшением остаточной
поляризации, что обусловлено изменением доменной структуры материала, релаксацией
структурных дефектов, распадом твердых растворов, изменением валентности
компонентов. Наибольший вклад в процесс старения вносит разориентация
доменов. Исследования этого эффекта показали, что процесс старения идет до
тех пор, пока остаточная поляризация не станет равной 1/3 от поляризации од-
нодоменного монокристалла. Наибольшее старение пьезокерамики приходится
на первый год после ее поляризации. Наименьшее старение наблюдается у
пьезокерамики системы ЦТС, наибольшее — у керамики системы титаната бария.
Старение пьезокерамики приводит к медленному уменьшению диэлектрической
проницаемости и коэффициента ЭМС, увеличению резонансной частоты и
добротности.
Для стабилизации свойств пьезокерамики используют искусственное
старение путем нагрева пьезокерамики до определенной температуры и выдержки
при ней. Однако и после температурного старения происходит дальнейшее,
хотя и меньшее, изменение параметров со временем. Искусственное старение
является важной завершающей операцией технологического процесса изготовления
ПЭ. Старение проводится при температуре, равной предельной рабочей
температуре 85... 1'00°С в течение 240 ч, что обеспечивает уменьшение изменения
параметров вдвое за последующие 1000 ч работы.
7.5. Пьезоэлектрические свойства и виды колебаний
керамических элементов
В пьезокерамике возникает полярное направление, совпадающее с
направлением поля поляризации и определяющее возникновение линейного
пьезоэффекта. Симметрия пьезокерамики определяет наличие четырех пьезомодулей: ^зз,
dm, dz2 и d\b (для случая поляризации в направление оси Z). Коэффициенты
??3? и d32 вследствие изотропности в направлении осей X и ? равны между
собой. Следовательно, в ПЭ кубической формы поле в направлении оси ?
возбуждает деформацию сжатия в направлении оси ? (продольный пьезоэффект)
и противоположную по знаку деформацию (растяжение) в направлении осей
dz\ и dz2 (поперечный пьезоэффект). Внешнее поле, действующее в
направлении оси X или У, т. е. в направлении, перпендикулярном направлению
поляризации, вызывает деформацию сдвига в плоскости, перпендикулярной внешнему
полю. Исходя из этого в керамических ПЭ могут быть возбуждены все
основные виды колебаний — продольные, сдвиговые, изгибные, крутильные и
различные их моды, зависящие от формы и отношений размеров ПЭ.
Практически в пьезокерамическом резонаторе (ПКР) используются ПЭ,
совершающие моды колебаний:
продольные колебания по толщине;
продольные колебания по длине;
толщинно-сдвиговые колебания;
контурно-сдвиговые колебания;
изгибные колебания по толщине и ширине;
радиальные колебания цилиндрических ПЭ.
Моды колебаний ПКР разделяют на «мягкие» и «жесткие». Возбуждение
«мягких» мод связано с воздействием поперечного пьезоэффекта, при котором
электрическое поле перпендикулярно направлению смещений и распространению
упругой волны и не влияет на форму колебаний. Иными словами, электрические
граничные условия мало влияют на частотные и другие параметры «мягких»
мод. «Жесткие» моды возбуждаются электрическим полем, параллельным
направлению упругой волны, т. е. в случае продольного пьезоэффекта. Вследствие
этого имеет место заметное влияние электрических граничных условий на
форму колебаний, частотные и иные параметры [66]. На рис. 7.1 схематично
изображены примеры возбуждения «мягкой» и «жесткой» мод в прямоугольной
пластине, поляризованной в направлении толщины и имеющей электроды на
широких гранях. Поле в направлении толщины возбуждает «жесткую» моду продоль·
112

Рис. 7.1. Схематичные изображения возбуждения
«мягкой» (а) и «жесткой» (б) мод в
керамическом ПЭ. Стрелками обозначены направления
поляризации (У), смещений B) и распространения
упругих волн C)
Рис. 7.2. Эквивалентная
электрическая схема ПКР,
дополненная параллельным
сопротивлением R0,
обусловленным проводимостью
пьезокерамики постоянному
току
ных колебаний по толщине и «мягкую» моду по длине пластины. Для
потребителей существенно то, что ПКР на «жестких» модах более чувствительны к
влиянию внешних нагрузок, чем резонаторы на «мягких» модах.
7.6. Параметры резонаторов
Параллельная емкость. Диэлектрическая проницаемость пьезокерамики
заметно выше, чем у линейных пьезокристаллов, и поэтому значения
параллельной емкости ПКР больше, чем, например, у кварцевых резонаторов. Большие
значения коэффициента ЭМС пьезокерамики влияют на зависимость
параллельной емкости ПКР от частоты. На низких частотах она заметно больше, чем на
высоких. Природа этого явления описана в разд. 1 и объясняется различием
механических граничных условий вибратора. На низких частотах (ниже
частоты рабочего резонанса) вибратор совершает свободные колебания без
ограничений силами инерции. На частотах выше частоты рабочего резонанса силы
инерции превышают упругие силы и вибратор следует рассматривать частично
зажатым. Следовательно, его емкость должна быть меньше, чем на частоте
ниже резонанса. Иными словами, на низких частотах параллельная емкость,
определяемая диэлектрическими свойствами, дополняется компонентой, зависящей
от пьезоэлектрических свойств. Поэтому различают три значения параллельной
емкости: емкость при свободном вибраторе Со, измеряемую на низких
частотах; емкость при частично зажатом вибраторе d>, измеряемую на частоте
выше частоты рабочего резонанса, и емкость Cs при зажатом вибраторе,
измеряемую на частотах выше частот обертонов рабочего и других резонансов.
Эквивалентная схема. Электрические характеристики ПКР в области
частот вблизи резонанса достаточно полно описываются эквивалентной схемой на
рис. 1.7, состоящей из ряда динамических ветвей, соединенных с общей
параллельной емкостью. Вблизи рабочего резонанса достаточно использовать
упрощенную эквивалентную схему, имеющую только одну динамическую ветвь.
Параллельную емкость в этом случае следует принимать равной емкости при
частично зажатом вибраторе [66, 67]. Многие виды пьезокерамики обладают
заметной проводимостью постоянного тока. Сопротивление постоянному току в
зависимости от состава пьезокерамики может быть в пределах 50... 500 кОм.
Поэтому эквивалентная схема ПКР должна быть дополнена параллельным
сопротивлением R0, как показано на рис. 7.2. Потребителям во многих случаях
следует учитывать наличие этого сопротивления.
Следует также иметь в виду существенно более сильно выраженные
нелинейные свойства пьезокерамики. Установлено, что простая эквивалентная схема
с постоянными значениями параметров динамической ветви недостаточно хорошо
описывает частотные характеристики ПКР. Предложены более сложные зквива-
113

лентные схемы, например схема, приведенная на рис. 2.1 для случая
радиальных колебаний ПКР. Измерения частот и динамических параметров следует
производить при определенном уровне возбуждения во избежание различий
результатов измерений.
Температурная стабильность. Зависимость частоты от температуры ПКР
значительна и в большинстве случаев характеризуется ТКЧ порядка E0...
... 100) * 10~6 °С*~1. Эта зависимость практически линейна. В последние годы
многие фирмы, используя различные модифицированные составы керамики,
достигли существенных результатов в снижении ТКЧ не хуже A0 ... 20) · 10~6 °С-;1.
Работы по снижению ТКЧ интенсивно продолжаются.
Добротность. Внутренние потери в пьезокерамике, обусловленные доменной
структурой и поликристаллическим строением значительны, что определяет
относительно невысокую добротность ПКР порядка сотен и в лучшем случае
тысяч.
Старение. Физические константы, определяющие частоту ПКР, заметно
изменяются со временем, усиливаясь с повышением температуры. Составы пьезо-
керамики, используемые для ПКР, определяют величины старения (изменения
частоты) порядка 0,5% в год.
7.7. Рекомендации по применению
Следует иметь в виду, что характеристики ПКР существенно зависят от
состава и технологии изготовления керамики.
Керамические резонаторы по сравнению с кристаллическими имеют более
низкую стоимость, что является одним из основных их преимуществ. Они
являются массовыми изделиями и изготовители заинтересованы только в крупных
заказах и редко соглашаются на поставки небольших партий. Поскольку
параметры ПКР обеспечивают частотную нестабильность устройств того же
порядка (или немного лучше), что и обычные LC-контуры, их используют как
заменители последних. При этом достигается выигрыш в габаритах устройств,
их стоимости, а также в избирательности. Преимущественно ПКР используют
в относительно широкополосных фильтрах массовой бытовой
радиоаппаратуры, для которых допустимы относительно низкие температурная и временная
стабильности. Их используют в фильтрах промежуточной частоты
радиоприемников на частотах 450... 500 кГц и 10,7 МГц, а также в телевизионных
приемниках и видеомагнитофонах, в фильтрах канала звукового сопровождения
телевизионных приемников.
Для стабилизации частоты генераторов ПКР используют относительно
редко.
Наблюдается тенденция сокращения выпуска ПКР как отдельных
компонентов ввиду того, что предприятия предпочитают выпускать готовые
изделия — преимущественно фильтры.
Таблица 7.1. Параметры дисковых ПКР для фильтров
Параметры
Частота, кГц
ткчхю-6, х-1
Емкость, пФ
Параллельная емкость, пФ
Индуктивность, мГн
Сопротивление, Ом
Параллельное сопротивление R0, кОм
Добротность
[ Тип керамики
Модифицированные
ЦТС
460
20
17
160
7
16
—¦
1300
450
70
15
185
—
25
200
900
КНБС1
450?
50
33
410
4
30
—
—
Керамика на основе ниобатов бария и свинца.
114

Диапазон частот ПКР лежит в пределах 10 кГц... 10 МГц, На самых
низких частотах используют ПЭ изгибных колебаний, выше 100 кГц — ПЭ
продольных колебаний. Для фильтров на частоты 450... 500 кГц используют
дисковые ПЭ с радиальными колебаниями, на частоты выше 1 ... 2 МГц — ПЭ
толщинно-сдвиговых колебаний и реже толщинно-продольных колебаний. Из-за
невысокой добротности ПКР малочувствительны к изменению внешнего
давления и влиянию крепления ПЭ. Поэтому их с успехом используют как
бескорпусные ПР. Для ПКР нецелесообразно применять дорогие металлические
корпуса от кварцевых резонаторов. Для них используют дешевые пластмассовые
корпуса, часто с последующим покрытием компаундом. Параметры ПКР для
фильтров промежуточной частоты приведены в табл. 7.1.
7.8. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Работы по улучшению параметров ПКР ведутся как у нас в стране, так
я за рубежом, а наиболее интенсивно в Японии и США. Эти работы
направлены преимущественно на уменьшение -зависимостей частоты от влияний
температуры и времени, а также на повышение добротности и диапазона
частот. Если у кристаллических резонаторов уменьшения ТКЧ достигают
изменением угловой ориентации ПЭ и его размеров, то у ПКР уменьшение ТКЧ
осуществляют изменением состава керамики, усложнением последнего введением
добавок различных окислов, т. е. использованием многокомпонентных систем.
Например, сообщается, что введением лантана в керамику системы ЦТС
удается снизить значение ТКЧ до 0,2-10~6°С~1 в широком интервале температур,
а значения добротности повысить до 4000 [7.2]. Расширения частот ПКР
достигают возбуждением обертонов толщинно-сдвиговых и толщинно-продольных
колебаний. Это удается при использовании плотной и мелкозернистой
керамики. Используя возбуждение третьего обертона, можно реализовать резонаторы
на частотах до 40... 50 МГц. Следует иметь в виду, что у ПКР толщинных
колебаний, возбуждаемых на основной частоте, захват колебаний не
реализуется, однако при возбуждении обертонов захват колебаний можно
осуществить, что позволяет повысить добротность и ослабить побочные колебания.
Некоторые фирмы выпускают интегральные ПКР, у которых на общей
керамической пластине выполняют резонатор и конденсатор.
Литература к разделу 7
7.1. Шубников А. В. Пьезоэлектрические текстуры. — М.: Изд. АН СССР,
1946. — 100 с.
7.2. Takeuchi H. New piezoelectric ceramics with zero temperature coefficients
for acoustic wave applications//Ultrasonics Symposium. Boston.— 1981. — P.
400—408.
РАЗДЕЛ 8.
РЕЗОНАТОРЫ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ
8,1· Общие сведения
Изгибные колебания (ИК) позволяют реализовать ПР на самые низкие
частоты диапазона, включающие тональные частоты. Поэтому резонаторы ИК
образуют важный класс. В связи с использованием ПР в электронных часах
производство резонаторов ИК резко возросло за последние годы и их
промышленный выпуск намного больше, чем резонаторов всех остальных классов,
вместе взятых. Резонаторы ИК выпускают на частоты от нескольких сотен герц
До нескольких сотен килогерц. Изгибные колебания дают наибольшие возмож-
115

ности для миниатюризации ПР низких частот, чем и объясняется их
использование в хронирующих устройствах, особенно в наручных электронных часах.
Пример пьезоэлектрического возбуждения деформации изгиба в
кварцевых пластинах дали первооткрыватели пьезоэлектричества Пьер и Жак Кюри.
Они изобрели биморфный ПЭ. Первые кварцевые резонаторы ИК были
описаны в 1927 г. Е. Гибе и А. Шайбе (Германия), Дж. Гаррисоном (США). Ими;
возбуждались ИК в пластинах Х-среза с разделенными электродами. Такие
резонаторы используются и в настоящее время и известны под родовым
обозначением ХА. В этом же году У. Кэди возбудил колебания изгиба в биморф-
ном ПЭ Кюри. Первые резонаторы ИК имели низкую стабильность частоты №
долгое время не находили практического применения. В 40-х годах Г. Бекерат
(Германия) и И. Г. Васин (СССР) независимо друг от друга обнаружили,,
что при возбуждении в кварцевом стержне Х-среза колебаний изгиба в
плоскости XY можно существенно уменьшить ТКЧ (до этого в пластинах и
стержнях Х-среза возбуждались колебания в плоскости ZY и ТКЧ резонаторов в этом*
случае был большим). В это же время в США У. Мэзон и Р. Сайке
обнаружили двухповоротный срез кварца НТ с малым ТКЧ для ИК по ширине
пластины. Известны несколько патентов на резонаторы ИК с малым ТКЧ, не
нашедших, насколько известно, практического применения. В связи с
миниатюризацией КР за последние годы нашли широкое применение резонаторы с ПЭ
в виде камертонов, что позволило почти вдвое уменьшить длину ПЭ. Для
камертонных микрорезонаторов используются специальные срезы с малым ТКЧ,
обладающие некоторыми технологическими преимуществами.
Исследования советских и зарубежных специалистов позволили
существенно улучшить характеристики резонаторов ИК, что обусловило их
использование не только для стабилизации частоты, но и для фильтров на звуковые
частоты.
Наряду с кварцевыми резонаторами появились резонаторы ИК из
«сильных» пьезоэлектриков — кристаллов ТЛ и пьезокерамики, что расширило
возможности их использования для фильтров. Характеристики этих ПЭ описаны
в соответствующих разделах.
Особенности колебаний. В отличие от других видов колебаний скорость
распространения колебаний изгиба существенно зависит от частоты. Этим
объясняется тот факт, что отношения частот собственных колебаний разных
порядков стержня оказываются весьма далекими от гармонических отношений.
Отношения частот колебаний второго, третьего и четвертого порядков к
частоте основного колебания составляют соответственно 2,76; 5,44 и 9,60. В
резонаторах изгибных колебаний используются преимущественно колебания изгиба
первого порядка и реже колебания второго порядка. Колебания второго
порядка камертонов используются в MP на частотах до 500 кГц.
Характерны особенности формы колебаний изгиба. В то время как для
других видов колебаний число узлов оказывается равным порядку колебаний, при
колебаниях изгиба их число на единицу больше. В стержне, совершающем
колебания изгиба первого порядка, наблюдаются два узла, расположенные на
расстояниях 0,224 длины стержня от его концов. При изгибе одна половина
стержня испытывает растяжение, в то время как другая — сжатие.
Механические напряжения равны нулю в среднем сечении, называемом поэтому
нейтральным. Эпюра нормальных механических напряжений в поперечном сечении
показана на рис. 8.1.
Для изгибных колебаний справедлива формула, связывающая частоту с
размерами ПЭ:
f = Kfbf/P, (8.1)
где bf — размер поперечного сечения (толщина или ширина), в направлении
которого происходит изгиб; / — длина стержня; Kf — частотный коэффициент,
являющийся сложной функцией отношений размеров bf и /, упругих
коэффициентов и плотности.
Частота мало зависит от другого поперечного размера ПЭ. Из
рассмотрения (8.1) нетрудно сделать вывод, что одно и то же значение частоты можно
получить для различных значений bf и L Такой характер зависимости частоты
является существенным преимуществом изгибных колебаний, дающим конструк-
116

Рис. 8.1. Изогнутый
стержень, на котором
показаны области
сжатия и растяжения,
нейтральная линия 2, узлы
колебаний 1 и эпюра
нормальных
напряжений 3
торам широкие возможности для вариаций размеров ПЭ при миниатюризации
и создании современных типов микрорезонаторов.
Колебания изгиба можно возбудить в плоскостях длина — толщина или
длина — ширина. Эти колебания называют соответственно изгибные
колебания по толщине или по ширине. В резонаторах избегают отношений размеров
сечений, близких к единице, так как при этом частоты изгибных колебаний по
толщине и по ширине оказываются близкими и связанными между собой, что
ухудшает характеристики резонаторов. Узловые точки на пересечении
нейтральной плоскости с гранями характерны тем, что не только смещения, но и
напряжения в них равны нулю, что отличает изгибные колебания от колебаний
других видов. Поэтому крепление в узловых точках оказывает незначительное
влияние на характеристики резонаторов.
Возбуждение колебаний. Колебания изгиба можно возбудить в
кристаллической пластине или стержне любой ориентации. Однако существуют срезы, в
которых ИК возбуждаются более интенсивно. Для возбуждения изгиба,
характеризующегося напряженным состоянием, при котором одна половина пластины
или стержня растянута, а другая сжата, необходимо воздействие
неоднородного поля, компоненты которого различны или противоположны по направлению
в разных половинах стержня. Обычно такое поле создают, используя две пары
электродов, расположенных либо на двух противоположных гранях пластины,
либо на четырех боковых гранях стержня (см. рис. 1.14). В первом случае
направление поля в одной половине пластины противоположно направлению его
в другой половине. Во втором случае образуется неоднородное поле,
компоненты которого по разные стороны от осевой плоскости противоположны друг
другу. Расположение и полярность электродов, а также направление компонент
поля и деформаций показаны на рис. 8.2, где в поперечном разрезе
изображены силовые линии поля, крестиком обозначена область растяжения,
точкой — область сжатия. В обоих случаях противоположные компоненты поля
вызывают в одной половине ПЭ растяжение, а в Другой сжатие,
следовательно, создают напряженное состояние, характерное для изгиба. Возбуждение
изгиба в пластине разделенными электродами (рис. 8.2,а) более эффективно, чем
Рис. 8.2. Расположение
электродов для
возбуждения изгиба:
а —в пластине ХУ-с.р?за;
б — в стержне ХУ-среза
(показаны поперечные сечения
пластины и стержня)
117

Рис. 8.3. Расположение
электродов для
возбуждения изгиба:
а —в биморфном; ? — в
щелевом пьезоэлементе
возбуждение стержня четырьмя боковыми электродами (рис. 8.2,6), поскольку
в последнем случае поле интенсивно только вблизи ребер стержня в то время
как средняя его часть оказывается под воздействием слабых компонент поля
ь кварцевой пластине среза ?? с разделенными электродами (рис 8 2 а)
изгиб происходит в плоскости электродов ??, т. е. по ширине, в то время* как
стержень с боковыми электродами (рис. 8.2,6) изгибается в плоскости ?? и в
зависимости от соотношений размеров поперечника стержня изгиб может
происходить как по ширине, так и по толщине.
Более эффективных способов возбуждения изгиба в плоскости наружными
электродами в пластинах Х-среза нет. Их эффективное возбуждение возможно
при наличии внутреннего электрода. Такой внутренний электрод можно осу-
ществить, разрезав пластинку на две половины и вновь соединив их после
введения между ними тонкой металлической пленки. Пьезоэлементы
составленные из двух пластин, называют сдвоенными, или биморфными (рис 8 3 а)
Реализация электрода внутри ПЭ возможна при металлизации внутренней
полости в виде тонкой щели, прорезанной в теле ПЭ, как показано на рис 8 36
1акие Ш называют щелевыми. Известны и исследованы ПЭ с двумя
внутренними электродами, представляющими соединение трех кварцевых пластин Г8 41
Изгиб возникает в пластине также при возбуждении в ее половинах
противоположных друг другу сдвигов. На рис. 8.4 показаны расположение элек-
тродов, необходимое для возбуждения противоположных сдвигов, и возникаю-
Рис. 8.4. Расположение электродов
на пластине для возбуждения
изгиба, возникающего в результате двух
противоположных сдвигов
Рис. 8.5. Пьезоэлементы изгибных
колебаний сложных форм:
а — камертон; б — гантель; в — со щелью
??\
118

Рис. 8.6. Форма, ориентация и расположение электродов ПЭ распространенных
видов (ХА, ХБ, ХВ, НТ)
щая при этом деформация изгиба. Практического использования подобные ПЭ
не нашли.
Срезы и пьезоэлементы. В большинстве случаев пьезоэлементы ИК имеют
форму узких прямоугольных пластин или тонких стержней прямоугольного
сечения. В последнее время часто используются ПЭ в виде камертонов и
относительно редко в виде тел сложной формы — гантелей, колец и пр. (рис. 8.5).
Обычно ПЭ сложной формы используют для уменьшения размеров
резонаторов (гантели) или для более эффективного возбуждения ИК (щелевые ПЭ).
В кварцевых резонаторах ИК нашли практическое применение ПЭ следу
ющих видов:
тонкие, относительно узкие пластины с разделенными электродами на
широких гранях (в резонаторах ХА и НТ);
составные, из двух или трех пластин (в резонаторах ХБ и ХД);
камертоны (в микрорезонаторах);
стержни, возбуждаемые боковыми электродами (в резонаторах ХВ).
Форма, расположение электродов и ориентация ПЭ показаны на рис. 8.6.
Классификация. Резонаторы ИК различают по видам ПЭ и типам
корпусов (табл. 8.1).
Таблица 8.1. Кварцевые резонаторы изгибных колебаний, характеризующие
их ПЭ и разновидности колебаний
119
Родовое

обозначение
ХА
ХБ
ХВ
хг
НТ
ХД
Пьезоэлемент
Форма
Прямоугольные
пластины
Биморфные -
пластины
Стержни прямо-
угольного сечения
Стержни
прямоугольного сечения
с щелями
Пластины
прямоугольные
Триморфные, три
пластины
Срез
xys/a
xys/a
xys/SQ
xyls/fia
xys/a
Электроды
Продольно
разделенные (рис. &.2,?.
Сплошные рис.
8.3,а)
Четыре на
боковых гранях
(рис. 8.2,6)
Рис. 8,3,6
Продольно
разделенные
(рис. 8.2,а)
Сплошные
(рис. 8.12)
Разновидности
колебаний
1
Изгиб по ширине в
плоскости ??
Изгиб по толщине
Изгиб в плоскости
XYr по толщине или
ширине
Изгиб по толщине
или ширине в
плоскости X Y'
Изгиб по ширине в
плоскости ? Zr
Изгиб по толщине

8.2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Наиболее низкие частоты имеют резонаторы, у которых
ПЭ совершают ИК по толщине. Практически изготовляют резонаторы на час-
тоты до 0,1 ... 1 кГц, используя биморфные ПЭ. У резонаторов, ПЭ которые
совершают ИК по ширине, частоты выше, и наиболее низкой границей их
диапазона считают частоту 10 кГц. Увеличивая ширину ПЭ, можно возбуждать
обертоны ИК на частотах до 100 кГц. Однако резонаторы ИК практически не
используют на частоты выше 50... 100 кГц, поскольку их характеристики на
более высоких частотах уступают резонаторам других видов колебаний.
Диапазон частот кварцевых резонаторов ИК разных видов представлен в табл. 8.2
Спектр частот. Резонаторы изгибных колебаний характеризуются
типичным спектром частот побочных резонансов, одинаковым для всех
разновидностей. Основные составляющие спектра — обертоны изгибных колебаний
(колебания нечетного порядка); колебания изгиба четного порядка обычно не
возбуждаются. Ближайший побочный резонанс выше основного в 5,4 раза и
весьма интенсивен. Сопротивление на частоте этого обертона нередко такое же,
как и на основной частоте, поэтому в апериодических КГ наблюдается
неустойчивая работа (перескоки частоты или одновременное возбуждение
колебаний двух частот). Ослабления этих обертонов достигают соответствующим
укорочением электродов или специально рассчитанной длиной проволочных
держателей. У герметичных резонаторов обертоны ослаблены больше, чем у
вакуумных резонаторов. Частоты обертонов изгибных колебаний у резонаторов с
ПЭ сложной формы отстоят от основной частоты на иных расстояниях, чем у
ПЭ, имеющих форму прямых стержней или пластин.
Наблюдаются слабые побочные резонансы, обусловленные связью с
продольными и крутильными колебаниями, а также изгибными колебаниями по
другому размеру, которые в некоторых случаях могут не приниматься в
расчет. Обнаруживаются побочные резонансы, обусловленные колебаниями стоек
кварцедержателя или корпуса. Эти побочные резонансы обычно ослаблены на
20... 60 дБ, однако при сближении с рабочей частотой могут возрастать до
опасных значений, т. е. быть соизмеримыми по интенсивности с основным.
Зависимость частоты от температуры.
Резонаторы ХА. Их частота зависит от температуры почти линейно,
уменьшаясь с ростом температуры. Средний ТКЧ — отрицательный и в зависимости
от угла среза и отношения ширины к длине ПЭ колеблется в пределах (—8...
...—25) · 10—? ""С. Меньшее значение ТКЧ соответствует малому отношению
ширины к длине @,1... 0,2), т. е. реализуется у более низкочастотных
резонаторов. Большее значение ТКЧ соответствует отношению ширины к длине,
равному 0,5.
Резонаторы ХБ, Зависимость частоты от температуры имеет вид
квадратичной параболы (рис. 8.7), крутизна которой характеризуется значениями
коэффициента Я2= C ... 4) · 10~S°C~2. Точку нулевого ТКЧ можно реализовать в
области температур 0... 45 °С. На более низких частотах (ниже 3... 4 кГц)
наблюдается асимметрия ТЧХ. На б*олее высоких частотах ТЧХ почти
симметричны и имеют меньшую крутизну. Положение точки Т0 зависит от отношения
толщины ПЭ к его длине. Искажение формы ТЧХ, разбросы положения точки
Го объясняются влиянием соединительного слоя (припоя), возрастающим с
уменьшением толщины пластин. Поэтому изготовители предпочитают
указывать общую нестабильность частоты в интервале рабочих температур.
Таблица 8.2. Диапазон частот кварцевых резонаторов изгибных колебаний
Родовое
обозначение
ХА
ХБ
ХВ
Диапазон частот, кГц
широкий
10...200
0,1...100
1...100
рекомендуемый
1
10...100
0,3...50 !
5...50 j
Родовое
обозначение
НТ
ХГ
ХД
Диапазон частот, кГц
широкий
1 °
спело
о о ел
ооо
рекомендуемый
10...100
8...50
1...5Э
120

Рис. 8.7. Типичные зависимости
частоты (сплошные л:.тнии) и
сопротивления (штриховая линия)
резонаторов ХБ
Рис. 8.8. Типичные ТЧХ резонаторов
ХВ, НТ
Резонаторы ХВ имеют квадратичные ТЧХ, характеризующиеся значениями
коэффициента а2 —— B,5 ... 4) · 10~8 °С". Коэффициент а2 больше у тонких ПЭ
с отношением толщины к длине порядка 0,1 и уменьшается с увеличением
этого отношения. Иными словами, резонаторы на более низкие частоты (ниже
12 кГц) имеют значения а2 порядка — C,5... 4) ·10~8°?-\ на частотах 12...
...16 кГц около — 3-10~8°С~2 и на более высоких частотах — 2,5· 10~8°С~2.
В большинстве источников указывают обычно верхнее значение коэффициента
а2, т. е. — 3,5· 10~8°С~*2. Положение точки Т0 можно изменять в нужных
пределах изменением угла среза и отношения толщины (ширины) к длине ПЭ.
Для тонких стержней (с отношением толщины к ширине менее 0,1),
используемых на низких частотах (ниже 7 кГц), значения Т0 нельзя получить выше
20... 30 °С. При высокой технологической дисциплине и правильном
выполнении крепления разбросы Т0 не превышают =р5°С.
Типичные и достаточно жесткие требования к температурной
нестабильности указаны в табл. 8.3, а типичная ТЧХ резонатора ХВ приведена на рис. 8.8.
Резонаторы ХГ. Этот вид резонаторов с щелевыми ПЭ имеет ТЧХ, не
отличающиеся от ТЧХ резонаторов ХВ.
Резонаторы ХД. Их ТЧХ сходны с ТЧХ биморфных резонаторов ХБ и
характеризуются несколько меньшими разбросами.
Резонаторы НТ имеют квадратичные ТЧХ, коэффициент а2 заключается в
пределах — C,5... 4,5) · 10^8 СС~2, т. е. он несколько больше, чем у
резонаторов ХВ. Положение точки 7? зависит от углов среза и отношения размеров
ПЭ и может быть в пределах 0... 80° С. Изготовители обычно гарантируют
изменение частоты в интервале температур —60...+105°С не более +300-10~6,
а в интервале —10 ... +60 °С не более +100· 10~6.
Относительно большой ТКЧ и узкий резонансный промежуток
ограничивают возможности использования резонаторов НТ, и они используются все
реже.
На рис. 8.8 приведена ТЧХ резонатора НТ в сравнении с ХВ.
Таблица 8.3. Нестабильность частоты резонаторов ХВ в различных
интервалах температур
Интервал температур, °С
-60...+90
—40...+70
—10...+60
Нестабильность частоты ?///.?10-6
типичная
200 ... 250
120... 140
60... 70
жесткая
170... 180
90... 100
50
121

Таблица 8.4. Эквивалентные параметры резонаторов изгибных колебаний
Родовое
обозначение
ХА
ХБ
ХВ
НТ
ХГ
ХД
Эквивалентные параметры
Дь кОм
1 ... 500
2 ... 500
0,5... 5
1 ... 100
1 ... 100
2... 50
Lu Г л
10 000... 600
10... 300
100 000... 300
60 000... 1000
2000... 10 000
Со, ? ?
7... 10
12... 25... 70
7 ... 14
1... 10
10 ...30
25 ...90
Со/Сг
250... 300
200 ... 250
400 ... 800
900
200 ... 300
200 ... 300
Эквивалентные параметры. Значения параметров — сопротивления,
индуктивности и параллельной емкости для резонаторов разных типов приведены в
табл. 8.4.
Области значений сопротивления и индуктивности, достижимых в
условиях производства, показаны на рис. 8.9—8.1 1. Наиболее низкие значения
индуктивности имеют резонаторы ХБ, ХА, ХГ и ХД.
Сопротивление правильно рассчитанных и выполненных в соответствии с
расчетом резонаторов изгибных колебаний возрастает с повышением
температуры примерно на 30... 50%. Однако для большинства резонаторов
существующих каркасных конструкций характерны нерегулярные изменения
сопротивления от температуры, достигающие 200... 500%, о причинах которых речь
пойдет ниже. Несколько больше зависимость сопротивления от температуры у
резонаторов ХБ (рис. 8.7). Сопротивление герметичных резонаторов выше
сопротивления вакуумных примерно в 3... 10 раз.
Добротность. Значения этого параметра существенно зависят от типа ПЭ,
конструктивных и технологических факторов.
Герметичные резонаторы имеют более низкую добротность, чем вакуумные.
Наиболее высокие значения добротности имеют резонаторы ХВ, которые могут
достигать E... 10) · 105; средние же значения добротности обычно составляют
Рис. 8.9. Области значе- Рис. 8.10. Области зна- Рис. 8.11 Области
значений индуктивности A) чений индуктивности ний индуктивности (/)
и сопротивления B) ре- A) и сопротивления и сопротивления B)
резонаторов ХА и НТ B) резонаторов ХБ зонаторов ХВ
122

A ... 3) -105 для вакуумных и C ... 10) -104 для герметичных резонаторов. Более
низкую добротность имеют резонаторы НТ и ХА, еще более низкую — ХБ, ХГ
0ХД-
Емкостный коэффициент. Значения этого параметра, существенно опреде-,
ляющие области использования резонаторов, приведены в табл. 8.4.
Наименьшее значение емкостного коэффициента имеют резонаторы ХА, ХБ, ХГ и ХД,
наибольшее — резонаторы НТ и ХВ.
Уровень возбуждения. Резонаторы изгибных колебаний более чувствитель-.
ны к уровню возбуждения, чем резонаторы других типов. Предельная
рассеиваемая мощность составляет 0,05... 0,1 мВт. Для вакуумных резонаторов,
добротность которых выше 2-Ю5, это значение необходимо снизить в 2 ... 3 раза.
Превышение уровня возбуждения приводит либо к поломке ПЭ, либо к
неустойчивой работе резонатора, обусловленной резким увеличением
сопротивления. В последнем случае наблюдаются перескоки частоты (возбуждение
обертонов) или возбуждение биений (одновременное возбуждение двух частот —
рабочей и обертона).
Старение. В [8.1] отмечается, что резонаторы изгибных колебаний имеют
меньшие величины старения по сравнению с другими низкочастотными
резонаторами. Это объясняется тем, что в местах присоединения проволочных
держателей к ПЭ механические напряжения незначительны и изменения
жесткости крепления мало влияют на частоту. Обычно изготовители гарантируют
старение для вакуумных резонаторов не хуже ±25· Ю-6 за 10... 12 лет хранения
и эксплуатации, а для герметичных не хуже ±40-Ю-6 или даже ±70· Ю-6
за те же сроки. Микрорезонаторы на частоту около 32 кГц обеспечивают
старение не хуже ±5·10~6 за первый год хранения, что является убедительным
свидетельством того, как правильно выполненное крепление ПЭ позволяет
уменьшить величину старения.
У резонаторов в металлических корпусах с герметизацией пайкой
загрязнения внутреннего объема следами флюса существенно ухудшают
характеристики старения. Показательно, что герметичные резонаторы в металлических
корпусах, соединенные сваркой, имеют на порядок меньшие величины
старения по сравнению с резонаторами в корпусах, соединяемых пайкой.
Меньшие величины старения имеют резонаторы ХВ. Резонаторы ХА и НТ
имеют обычно в среднем в 1,5 раза, а резонаторы ХБ примерно в 2 раза
большие величины старения. Резонаторы на частоты ниже 10 кГц характеризуются
большими величинами старения, чем резонаторы на более высокие частоты.
Показатели старения резонаторов одних и тех же типов и конструкций
нередко различаются у разных изготовителей в несколько раз, что определяется
влиянием на этот важный параметр конструктивных факторов и уровня
производства.
8,8. Конструкции резонаторов
Корпуса. Резонаторы НТ и ХА выпускают герметичными в металлических
корпусах типа У. Имеются сведения о выпуске резонаторов в плоских
корпусах от микросхем, соединяемых сваркой. Вакуумные резонаторы остальных
типов выпускают в баллонах типов С и Э (табл. 8.5), а также в стеклянных
баллонах диаметром 8 и 10 мм для бескаркасного монтажа. В табл, 8.5
приведены старые (слева) и новые (справа) обозначения типоразмеров.
Таблица 8.5. Размеры стеклянных корпусов
Частота, кГц
К..2
2 ... 5
5... 10
Ю...30
30... 100
Тип корпуса
С
С86, С74
С74, С54
С54, С48
С48, С41
С41, С34
-еж
еж, ед
ед, сг
сг, ев
CB, СБ
Э
—Э72
362, Э52
Э52, Э47
342, Э37
337, Э32
эк
эй. эж
ЭЖ, ЭЕ
эд, эг
эг, эв
123

Иногда стеклянные баллоны заполняют инертным газом или воздухом для
ослабления побочных резонансов. Микрорезонаторы выпускают вакуумными
преимущественно в металлических корпусах разных размеров и форм.
Необходимость вакуумирования обусловлена требованием уменьшить сильное
затухание, вызванное акустическим излучением.
Кварцедержатели. Для крепления вибраторов изгибных колебаний
используют два типа кварцедержателей: каркасные и консольные. Кроме того,
существуют еще так называемые бескаркасные резонаторы, у которых кварцедержа-
тель как некоторый отдельный узел отсутствует и вибраторы крепятся
непосредственно к стенкам корпуса или баллона резонатора [8.2].
Каркасные кварцедержатели имеют недостатки. Частоты собственных
колебаний стоек каркаса, выполненных из тонких и недостаточно жестких
стержней, оказываются в диапазоне частот внешних механических вибраций, а
иногда и рабочих частот резонаторов. Это ухудшает вибропрочность и
виброустойчивость резонаторов. Механическая связь ПЭ со стойками каркаса при
близости частот их собственных колебаний существенно влияет на параметры
резонаторов, такие как добротность, ТКЧ, старение и др. Собственные
колебания стоек могут быть причиной возникновения побочных резонансов,
неустойчивости колебаний и перескоков частоты.
Консольные кварцедержатели хороши, когда консоли достаточно жесткие.
Если их жесткость невелика, они обладают теми же недостатками, что и
каркасные кварцедержатели.
В бескаркасных резонаторах влияние крепления меньше, так как стенки
корпуса или баллона достаточно жестки и частоты их собственных колебаний
оказываются выше диапазона частот внешних вибраций. Параметры
бескаркасных резонаторов существенно превосходят параметры резонаторов с
каркасными кварцедержателями.
Крепление пьезоэлементов. Пьезоэлементы крепятся прямыми или
изогнутыми проволочными держателями. Прямые держатели (струны) обеспечивают
большую жесткость системы крепления, и их чаще используют в резонаторах,
подвергающихся интенсивным метаническим воздействиям. Изогнутые
держатели (пружины) менее жесткие.
Обычно крепление осуществляется четырьмя держателями, однако для
крепления миниатюрных ПЭ достаточно двух держателей. Для повышения
вибропрочности иногда используют крепление держателей к четырем боковым
граням.
Влияние крепления на электрические и эксплуатационные характеристики
изгибных резонаторов заметно больше, чем у резонаторов других типов.
Проволочные держатели являются частью колебательной системы ПЭ,
которые следует рассматривать как присоединенные элементы с распределенными
параметрами, т. е. как механические волноводы. Они интенсивно колеблются и
передают значительную долю энергии в кварцедержатель. В держателях
образуются стоячие волны, узлы и пучности механических смещений. Крепление
держателей к стойкам каркасов, консолям или стенкам корпуса должно
осуществляться в узловых точках. При этом условии влияние крепления на
параметры и характеристики резонаторов незначительно. В реальных конструкциях
указанное выше условие не всегда выполняется.
Особенно заметно влияние крепления в резонаторах Э с каркасными
кварцедержателями, имеющими тонкие etoiss m шхт&&ше проволочные держатели.
Эти резонаторы характеризуются искажением температурных характеристик
сопротивления и частоты, пониженной добротностью и разбросами электрических
параметров.
У резонаторов с плохо рассчитанным креплением передача колебаний в
кварцедержатель настолько значительна, что колебания последнего
обнаруживаются через корпус резонатора. Например, касание корпуса рукой изменяет
частоту и сопротивление резонатора. Такие резонаторы малостабильны и
ненадежны в эксплуатации.
Механическая прочность и устойчивость. Симметричное и уравновешенное
крепление ПЭ посредством четырех проволочных струн или пружин
обеспечивает достаточную механическую прочность. Длина струн и пружин у изгибных
ПЭ больше, чем у резонаторов других типов, и с понижением частоты возрас-
124

тает. Поэтому система крепления ПЭ имеет относительно низкую частоту
собственных колебаний (часто ниже 100... 200 Гц), что уменьшает прочность
резонаторов к импульсным и вибрационным воздействиям. У резонаторов с
каркасными кварцедержателями частоты колебаний стоек каркасов оказываются в
диапазоне частот вибраций, что снижает вибропрочность резонаторов.
Большей механической прочностью по отношению к вибрациям обладают
бескаркасные резонаторы и резонаторы в корпусах от микросхем.
Существенного повышения механической прочности резонаторов достигают, используя
крепление посредством восьми пружин. Такие резонаторы на частоту 20 кГц в
корпусе С имеют удовлетворительные параметры: добротность около 25· 10\
сопротивление 1,2... 2,2 кОм; выдерживают длительное воздействие вибраций
Z0g на частотах от 5 до 5000 Гц, одиночные удары 500g и многократные 50^.
Частота резонаторов изгибных колебаний зависит от механических
воздействий. Изготовители гарантируют изменение частоты 10· Ю-6 при воздействии
вибраций 10... 15^ и ударов 500g. Механические воздействия вызывают, как
правило, понижение частоты.
Резонаторы на частоты ниже 8 кГц имеют относительно длинные
проволочные держатели, соответственно невысокую жесткость крепления и низкую
частоту собственных колебаний системы крепления ПЭ. Интенсивные удары и
вибрации могут вызывать остаточные деформации крепления и даже отрыв или
обрыв держателей. Для предотвращения этого в резонаторе устанавливают
так называемые ограничители в виде пластин, закрепленных на небольшом
расстояний от торцов ПЭ. Ограничители обычно выполняют из слюды или
фторопласта, укрепляя их на каркасе кварцедержателя. При ударах и вибрациях
ограничители препятствуют опасным деформациям проволочных держателей и
предохраняют их от остаточных деформаций и обрывов. Следует иметь в
виду, что ограничители рассчитаны только на предохранение резонатора от
разрушения при чрезмерных механических воздействиях и не обеспечивают их
работоспособности в момент воздействия.
ПьезоЭДС (виброшумы). При механических воздействиях (как следствие
прямого пьезоэффекта) на электродах ПЭ могут возникать электрические
сигналы, иногда называемые виброшумами или пьезоЭДС. При импульсных
воздействиях (толчках, ударах) пьезоЭДС имеет характер затухающих
колебаний. При воздействии вибраций, частота которых близка к частоте резонатора,
пьезоЭДС имеет периодический характер и может быть причиной появления
нежелательных сигналов при работе в аппаратуре, например в фильтре.
ПьезоЭДС опасны на частотах резонаторов ниже 5 кГц при эксплуатации
аппаратуры, подвергающейся вибрациям.
Число полюсов. Резонаторы выпускают двух-, трех- и четырехполюсными
Соответствующая коммутация внешних выводов позволяет использовать их как
двухполюсные.
8.4. Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы
Камертоны. Широкое применение получили MP с ПЭ в виде камертонов.
В основном камертонные КР используют для электронных часов. В обычных
резонаторах камертонные ПЭ не получили применения. Подробно
характеристики камертонных MP рассматриваются в разд. 19.
Щелевые ПЭ. Отечественные предприятия выпускают резонаторы ИК с
щелевыми ПЭ, представляющими стержень, в котором прорезана тонкая щель
по нейтральной плоскости изгиба [8.3]. Щель позволяет нанести на ее
поверхности металлическое покрытие и осуществить таким образом внутренний
электрод. Щелевые ПЭ являются аналогами биморфных и, обладая их
достоинствами, лишены недостатков, обусловленных несовершенством техники
соединения составляющих их пластин. Они имеют низкие значения индуктивности и
емкостного коэффициента, что позволяет использовать их в широкополосных
кварцевых фильтрах. У резонаторов с щелевыми ПЭ такие же ТКЧ, 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,
125

Таблица 8.6. Сравнительные данные параметров резонаторов ХВ и ХГ на
частоту 10 кГц для одинаковых размеров ПЭ
Параметры

Сопротивление, кОм
Индуктивность,
Гн
Тип ПЭ
С щелью
Сплошной
С щелью
Сплошной
Значения ?

параметров |
19,6
51
5100
30 000
Параметры
Емкостное
отношение
Добротность
Тип ПЭ
С щелью
Сплошной
С щелью
Сплошной
Значения

параметров
290
810
23 000
31000
которая в 1,5... 2 раза ниже (табл. 8.6). Резонаторам ИК с щелевыми ПЭ
присвоено родовое обозначение ХГ.
Триморфный ПЭ. Существенным усовершенствованием составных ПЭ изгиб-
ных колебаний является использование так называемых триморфных ПЭ,
состоящих из трех соединенных по широким граням кристаллических пластин.
Схематично устройство триморфного ПЭ показано на рис. 8.12, из которого
видно, что наружные пластины имеют активные электроды, а средняя пластина
(вставка) имеет сплошное металлическое покрытие. Коммутация электродов
наружных пластин должна обеспечивать возникновение разных по направлению
деформаций. Иными словами, приложение электрического напряжения к
электродам ПЭ должно вызывать растяжение одной и сжатие другой пластины}
следствием чего должен быть изгиб ПЭ. Преимуществ-а такого ПЭ состоят в
том, что наружные пластины могут быть очень тонкими @,1...0,2 мм), в
результате чего сопротивление ПЭ может быть существенно уменьшено [8.4].
Резонаторы с триморфными ПЭ (ХД) обладают и другими
преимуществами: более высокой добротностью, меньшими разбросами параметров по
сравнению с биморфньгми резонаторами.
В табл. 8.7 приведены параметры резонатора ХД на частоту 6,8 кГц.
Зависимость частоты от температуры квадратичная, характеризуемая
коэффициентом а2 = — C... 3,5) ·10-8 °С-2. Точка нулевого ТКЧ (Го) может быть в
области температур от 10 до 60 °С, а ее разбросы в пределах ±6Х. Отношение
емкостей Co/Ci=il36 ... 160. Добротность более высокая, чем у биморфных
резонаторов (по крайней мере втрое), и достигает 100 ... 150 тыс.
Резонаторы ХД обладают лучшими параметрами, чем биморфные, и
большими возможностями для их улучшения. Например, изменяя ориентацию
средней пластины, можно улучшать температурную зависимость частоты. На рис.
Рис. 8.12. Схематичное изображе- Рис. 8.13. Зависимости частоты от темпе-
ние поперечного сечения три- ратуры резонаторов ХД:
???????? пьезоэлемента: 1-е пластинами одинаковой ориентации; 2 —
/„внутренняя пассивная пластина; со средней пластиной иной ориентации
2 — наружные активные пластины;
5 —наружные электроды; 4 ~
внутренние электроды. Знаками «+» и
«—» указана полярность электродов
126

Таблица 8.7. Основные параметры резонатора ХД
Частота,
кГц
6
6,8

Сопротивление, кОм
1,3
1,1
Индуктивность,
Гн
3000
3190

Параллельная
емкость, пФ
27
26,5
Точка
нулевого
ткч, °с
50
45 'j?
Добротность
Q,X103
ПО
НО
8.13 показана ТЧХ резонатора ХД с ПЭ (кривая 1), все пластины которого
имеют одинаковую ориентацию и у которого ориентация средней пластины
отличается от ориентации крайних пластин (кривая 2).
8.5. Рекомендации по применению
Многие неприятности в процессе эксплуатации обусловлены тем, что
резонаторы используют при недопустимо высоких уровнях возбуждения.
Исследования и соответствующие испытания показывают, что резонаторы при уровнях
возбуждения, не превышающих 0,05 мВт, работают устойчиво и надежно.
При заказе и согласовании технических требований на резонаторы
потребителям следует оговаривать величину изменения сопротивления от температуры
не более чем на 50 %, а также устойчивость частоты к внешним воздействиям
на корпусе. Например, прикосновение к корпусу резонатора руки не должно
(Вызывать заметных изменений частоты порядка A ...2) *il0~6. Выполнение этих
простых требований заставит изготовителей проверить и, если нужно,
пересмотреть конструктивные решения и расчеты крепления.
!Потребителям необходимо иметь в виду следующее.
si. С понижением ^частоты резонаторов длина и гибкость проволочных
держателей возрастают. Соответственно уменьшается механическая прочность,
особенно вибропрочность и виброустойчивость резонаторов.
2. Следует избегать использования в аппаратуре, подвергающейся
воздействию вибраций, резонаторов, частоты которых близки к частотам внешних
вибраций. При этом на электродах резонатора возникают виброшумы (пьезо-
ЭДС), которые следует учитывать.
3. Резонаторы изшбных колебаний на частоты выше 50 кГц уступают
резонаторам других видов колебаний по температурной стабильности,
практически не используются и не изготовляются. Изредка их применяют на
частотах выше 50 кГц в тех случаях, когда требуются малые габариты, а
требования к стабильности частоты невысокие.
4. Резонаторы ХА, имеющие большое значение ТКЧ (более 10-Ю-6 °С~-1),
используют в широкополосных кварцевых фильтрах, поскольку они имеют
относительно широкий резонансный промежуток и низкие значения
индуктивности. Их можно использовать также в КГ, к стабильности частоты которых не
предъявляют требований лучше чем 10~3. Эти резонаторы считаются
устаревшими и мало удовлетворяющими современным требованиям.
5. Для стабильных широкополосных К ? на частоты до 10 кГц следует
использовать резонаторы ХБ, а на частоты выше 10 кГц — резонаторы ХГ.
6. Резонаторы ХВ, опыт производства которых имеет большинство
предприятий, являются надежным типом с хорошими показателями стабильности.
Их следует использовать преимущественно в КГ на фиксированные частоты и
в узкополосных кварцевых фильтрах. Разбросы индуктивности резонаторов ХВ
достигают 20 % и определяются различиями межэлектродных зазоров.
7. Бескаркасные резонаторы следует использовать в ответственной
аппаратуре, подвергающейся интенсивным .механическим воздействиям.
8. Герметичные резонаторы изгибных колебаний более устойчиво работают
в КГ, чем вакуумные, имеющие более высокую добротность. Целесообразно
при заказе отдавать предпочтение газонаполненным резонаторам в стеклянных
корпусах перед вакуумными вариантами.
127

9. Бескорпусные резонаторы изгибных колебаний миниатюрного типа
находят ограниченное применение в ПЭУ из-за высоких сопротивлений, которые
на порядок, а иногда и более превосходят сопротивления вакуумных
резонаторов. Тем не менее примеры их успешного использования в ПЗУ внушают
надежду, что затруднения, обусловленные -высокими сопротивлениями, могут быть
успешно преодолены схемотехническими решениями.
¦10. Резонаторы изгибных колебаний более чувствительны к уровню
возбуждения и для их устойчивой работы в КГ не следует превышать
допустимые уровни возбуждения, особенно на частотах ниже 10 кГц. Считается, что
на частотах ниже 10 кГц ток через резонатор не должен превышать 50 мкА, а
на более высоких частотах — 100 мкА. С повышением добротности
чувствительность к уровню возбуждения возрастает и не следует стремиться к ее
увеличению выше 105.
Сведения о производстве. Большинство предприятий выпускают резонаторы
изгибных колебаний типов ХВ и реже ХА. Резонаторы НТ в настоящее время
не выпускаются, поскольку вместо них используются резонаторы крутильных
колебаний, имеющие лучшие характеристики. Резонаторы ХБ, ХГ и ХД вы*
пускаются в порядке опытного производства. Резонаторы с ПЭ в виде
камертона выпускаются как микрорезонаторы для электронных часов (см. разд. 18).
8,6. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Существующие конструкции резонаторов изгибных колебаний более чем
конструкции других типов требуют усовершенствования и доработки ?
(повышения жесткости каркасов и консолей кварцедержателей, точности
присоединения струн и пружин к стойкам каркасов и консолей в узловых точках).
Дальнейший прогресс связан с внедрением в серийное производство бескаркасных
конструкций и использованием плоских металлических корпусов от микросхем,
герметизируемых сваркой.
Опыт разработки и производства MP для электронных часов показал, что
их характеристики стабильности (ТЧХ, старение) нисколько не уступают их
крупногабаритным прототипам. Многие типы MP оказываются более
устойчивыми и ,к механическим воздействиям. Поэтому следует .рассчитывать на то,
что в ближайшие годы микрорезонаторы ПК будут все более широко
использоваться не только в бытовой, но и в (специальной РЭА.
Литература к разделу 8
8.1. Гербер Е., Сайке Р. Кварцевые резонаторы и генераторы —
современный уровень техники//таИЭР. — 1966.— Т. 54. — № 2. —С. 5 — 19.
8.2. А. с. 176608 СССР. Вакуумированный кварцевый резонатор/П. Г.
Поздняков. — Опубл. 1965, Бюл. № 3.
8.3. Кварцевые резонаторы с прорезными пьезоэлементами/И. Г. Васин,
П. Г. Поздняков, Л. В. Храмов и др.//Кристаллография.— 1962. —-Т. 7.—
№ 1. —С. 150—15B.
8.4. А. с. 587603 СССР. Пьезоэлектрическое устройство/П. Г. Позднякову
В. Н. Христофоров. — Опубл. 1978. Бюл. № 1. .
РАЗДЕЛ 9. /,,.,.
РЕЗОНАТОРЫ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАВ
9.1. Общие сведения
Впервые продольные колебания (ПК) кварцевых пластин по толщине были
возбуждены французским физиком П. Ланжевеном в его известных опытах по
гидроакустике A916—1917 гг.). Позже (в 1921 г.), У. Кэди (США), исполь-
128

зуя результаты П. Ланжевена, возбудил в кварцевых пластинах ПК по длине
и пришел к выводу о возможности использования их для стабилизации
частоты ламповых генераторов, а также в качестве компонента электрического
фильтра. Эти первые исследования по использованию кварцевой пластины в
качестве стабилизатора частоты подробно описаны У. Кэди в его книге [4]. Более
высокочастотные толщинно-продольные колебания кварцевой пластины были
возбуждены Дж. Пирсон (США) в 1923 г. Им же была предложена схема
кварцевого генератора, носящая его имя и широко используемая до
настоящего времени.
Кварцевые резонаторы ПК по толщине использовались для стабилизации
частоты КГ до середины 30-х годов; их ТКЧср== — 20· 10~6 °С-1. Они имели
сложный спектр побочных резонансов, и ослабление последних было трудной
задачей. Вскоре выяснилось, что для КР толщинно-лродольных колебаний нет
срезов с малым ТКЧ.
Практическое применение нашли КР продольных -колебаний по длине,
поскольку они имели малое значение ТКЧ. Низкочастотные резонаторы ПК
были объектом подробных исследований многих специалистов (Э. Гибе, А.
Шайбе, Р. Бехман в Германии, У. Мэзон в США, С. Мацумура и С. Канзаки в
Японии и др.). Первоначально исследовались и применялись КР классического
среза Кюри (X). Посредством поворотов пластины вокруг оси X были
улучшены ТКЧ (срез xys/5°, XT), спектральные характеристики (срез xys/—1?°,
ХФ). В дальнейшем характеристики КР продольных колебаний улучшались
посредством использования 'ПЭ более сложной формы (параллелограмм, ромб,
щелевые ПЭ), а также двухповоротных срезов МТ (У. Мэзон).
Резонаторы ПК семейства ЗС-срезов широко используются до настоящего
времени в фильтрах. (При миниатюризации ПЭ возможно создание MP на
частоты 500 ... 1000 кГц. Эти возможности уже реализованы в тактовых
микрогенераторах.
Продольные колебания по длине или по ширине могут быть возбуждены
в кварцевых пластинах семейства Y-срезов. Было найдено несколько
двухповоротных У-срезов с малым значением ТКЧ, среди которых наиболее
интересным оказался срез ЖТ, изобретенный У. Мезоном в 1940 г. Для определенных
значений углов среза и отношения ширины ПЭ к длине можно достичь очень
малого значения ТКЧ в широком интервале температур. В прежнее время
резонаторы ЖТ использовались в интервале частот 100 ... :500 кГц. В настоящее
время в Японии созданы микрорезонаторы ЖТ на частоты 1 ... 4 МГц. В
Швейцарии созданы MP так называемого ЗТ (Зет-Т)-среза, не уступающие по
температурной стабильности резонаторам ЖТ.
Резонаторы ПК в настоящее время составляют важный класс НЧ
резонаторов на частоты 50 ... 2000 кГц. Продольные колебания позволяют
реализовать резонаторы с малым значением ТКЧ из других пьезоэлектриков.
Особенности колебаний. Продольные колебания узких изотропных пластин
относительно просты, могут рассматриваться как одномерные, и частоты их
колебаний описываются простой формулой
f = nKf/l, „ (9Л)
где /г—целое число, определяющее порядок колебаний; Kf — частотный
коэффициент; / — длина стержня или пластины;/—¦ частота продольных колебаний
порядка я.
Эти частоты находятся в отношениях между собой, близких к кратным,
которые соблюдаются только для очень узких пластин (с отношением размера
поперечника к длине менее 0,1) и для колебаний низких порядков. С
увеличением ширины пластин и частоты колебаний отклонения от кратности быстро
возрастают. Это обусловлено тем, что одномерная теория, на основании
которой выведена формула (9.1), не учитывает другие компоненты движения.
Наибольшее влияние на частоту оказывают компоненты смещений,
перпендикулярные длине стержня. Эти компоненты так называемой боковой инерции
увеличивают общую амплитуду смещений, в результате чего происходит понижение
частоты колебаний. С увеличением отношения ширины ПЭ к его длине
возрастает компонента поперечных смещений. То же происходит и при увеличе·
5—45 129

нии номера обертона, поскольку в этом случае следует рассматривать
отношение ширины к длине полуволны, а не ко всей длине стержня,
•Продольные колебания кварцевых пластин Х-среза более сложны, чем
колебания изотропных пластин, о которых речь шла выше, так как кроме
деформации сжатия—растяжения возникает деформация сдвига, которые
связаны между собой. При растяжении пластины Х-ереза происходит не только ее
удлинение и поперечное сжатие, но и сдвиг в плоскости пластины. На рис. 1.9
поясняется это явление. Связь, имеющая упругий характер, усложняет форму
колебаний, оказывая влияние на частоту и ее зависимость от температуры.
Зависимость частоты продольных колебаний пластины J-среза от отношения
ее ширины к длине приведена на рис. 9.1. При отношении 0,23 наблюдается
аномалия, типичная для связанных колебаний, которая объясняется тем, что
частота продольных колебаний первого порядка совпадает с частотой изгиб-
ных колебаний по ширине второго порядка, что и подтверждает наличие
близкого побочного резонанса [9.1, 9.2]. Это исключает возможность
использования пластин с таким отношением размеров.
Продольные колебания могут взаимодействовать с четными изгибными
колебаниями и более высоких порядков. При сближении их частот наблюдаются
аномалии, аналогичные приведенной на рис. 9.1. Температурная зависимость
частоты уменьшается с уменьшением ширины и увеличением толщины
пластины. Вариациями углов среза (поворотом вокруг оси X, а также вокруг оси ?
кварца) можно изменять положение точки нулевого значения ТКЧ. С
увеличением ширины пластин ТКЧ возрастает я при отношении ширины к длине
более 0,5 становится большим, что исключает возможность их использования.
Нежелательная связь с колебаниями сдвига исчезает при повороте пластины
вокруг оси X на углы — 18,5 и 71,5°; пластины таких ориентации совершают
чисто продольные колебания. Колебания широких пластин, когда влияние
ширины заметно и не может не приниматься но внимание, являются контурными
(продольно-контурными, усложненными смещениями сдвига).
Возбуждение колебаний. Продольные колебания наиболее интенсивно
возбуждаются в пластинах Х-среза кварца электродами, расположенными на их
широких гранях. Возбуждение колебаний по длине обязано поперечному пьезо-
эффекту (пьезомодуль dl2). При изменении ориентации пластины вследствие
поворота вокруг оси X значение льезомодуля ?\2 уменьшается и интенсивность
колебаний падает. В пьезоэлементах семейства У-срезов длина пластины
должна составлять с главными или повернутыми осями Xf и Z! углы ::F450.
Колебания нечетных порядков возбуждаются электродами полной длины,
колебания четных порядков при этом не возбуждаются. Последние могут быть
возбуждены секционированными электродами (ом. рис. 1.14). В четырехлолюс·
ных резонаторах используют электроды, разделенные вдоль длины или реже
вдоль ширины.
Рис. 9.1. Зависимость частотного
коэффициента кварцевой пластины
Х-среза от отношения ширины пье-
зоэлемента к его длине:
/ — кривая основного продольного
колебания; 2 — кривая изгибных колебаний;
связанных с основными; 3, 4 — кривые
побочных контурных колебаний кварцевой
пластины Х-среза
130

Рис. 9.4. Двухчастотный пьезоэле- Рис. 9.3. Пьезоэлемент в виде широ-
мент Х-среза с разрезами кой пластины Х-среза с щелями
Срезы и пьезоэлементы. Наиболее часто используют ПЭ в виде
прямоугольных пластин среза xysja. Угол ? в зависимости от требований к ТКЧ может
быть в пределах 0... 7°. Малое значение ТКЧ имеют ПЭ с отношением ширины
к длине менее 0,2. Широкие пластины с отношением ширины к толщине более
0,3 используют, если требуются низкие значения индуктивности [20]. Для
улучшения ТКЧ широких пластин им придают форму параллелограмма с
определенным углом наклона торцевых граней [9.3] или прорезают в них щели [9.4]
в направлении длины (рис. 9.2 и 9.3). Для ослабления побочных резонансон
широких пластин используют срез xys/—18,5°, в котором не возбуждаются
колебания сдвига [9.1, 9.2]. Резонаторы с малыми значениями ТКЧ и
индуктивности реализуются при использовании ПЭ в виде пакета узких пластин,
соединенного в одно целое до торцам пластин [1]. Известны также резонаторы с ПЭ,
имеющими разрезы вдоль длины, как показано на рис. 9.4. Такие ПЭ позволяют
создавать двухчастотные резонаторы с изолированными колебаниями или четы-
рехполюсные резонаторы, колебания которых механически связаны [9.6].
Известны ПЭ двухтговоротного МТ-среза, имеющие форму узких пластин. У
резонаторов МТ можно реализовать более высокую температуру нулевого
значения ткч.
Пьезоэлементы семейства ?'-срезов имеют обозначения yxls/$/az-4&°. Малое
значение ТКЧ для них имеет место при определенных углах среза ? и
отношениях ширины к длине. Из числа этих срезов практическое применение нашел
ЖТ-срез, имеющий обозначение t/x/s/517+45°.
Классификация. Резонаторы ПК различают по видам колебаний (длине,
ширине, толщине, контурные), видам срезов и формам ПЭ, а также некоторым
существенным конструктивным особенностям. Резонаторы, различающиеся
видами срезов и формой ПЭ, образовали отдельные виды, для которых приняты
родовые обозначения. Для большинства типов резонаторов, принадлежащих к
семейству ^-срезов, первой буквой родового обозначения принята буква X,
вторая буква соответствует обозначению, принятому за рубежом (?, ?, ?), или
началу слова, характеризующему форму ПЭ (Щ, П). Классификация по этим
признакам и родовые обозначения приведены в табл. 9.1.
Кварцевые резонаторы ПК выпускают преимущественно в стеклянных
корпусах типа Э. Иногда в этих корпусах размещают два ПЭ для экономии
объема. Резонаторы могут быть двух- и четырехполюсными (с разделенными
электродами). Герметичные резонаторы выпускают также в устаревших
металлических корпусах типа У, а также в плоских корпусах от микросхем, размещая в
них два или четыре ПЭ.
9.2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Частота продольных колебаний определяется размером,
в направлении которого распространяются колебания, и значением частотного
коэффициента. Для ПЭ семейства Х-срезов частотный коэффициент равен око-
5* Ш

Таблица 9.1. Классификация резонаторов продольных колебаний
Родовое
обозначение


чествен -
ное
XT
ХЕ
ХФ
шт
мт
хщ
хп
жт
зарубежное
ХТ,,+ 5°Х,Е
5°:Х,.Е-¦¦''"
—18°X,F
НТ
МТ, ?
GT
Обозначение
среза
xys/5°
xys/5°
xysj—18°
xysjtf
xys/6*-
xys/5°
yx!s/5l°/±45°
Форма и
другие
особенности ПЭ
Узкая
прямоугольная
пластина b/l<0,2
Широкая
прямоугольная
пластина bjl —
= 0,3...0.,6 ..
Широкая
пластина b/l=
-0,4../0,9 г
Пластина в
виде
параллелограмма
Узкая пластина
Широкая
пластина с
продольными
щелями
Пакет узких
пластин
Широкая
пластина Ь/1 —
= 0,859
Мода

колебаний
По длине


но-контурные
То же
По длине
То же
» >
» >

Контурные по
ширине
-—.—.
Применение,
особенности
Для фильтров,,
малая ТНЧ, чис- '
тый спектр
Для фильтров,·.
низкие значения
Lu большая ТНЧ
и худший, чем у
XT, спектр
Для фильтров,
большая ТНЧ,
низкие значения
Lu чистый спектр
Для фильтров,
меньшая ТНЧ,
чем у ХЕ и Хф,
чистый спектр
Для КГ, имеет
более высокие
значения Т0, чем
у XT
Для фильтров,
низкие значения
Li, малый ТКЧ,
улучшенный
спектр
Для фильтров,
малые габариты,
низкие значения L\,
малый ТКЧ,
чистый спектр
Для КГ, малая
ТНЧ в широком
интервале темпе--
ратур
ло 2800-кГц-мм. Для ЖТ-среза он больше и составляет около 3300 кГц·мм.
Приемлемые размеры ПЭ определяют, таким образом, диапазон частот 50...
... 250 кГц. Колебания обертонов используются редко на частотах до 350 кГц.
Спектр частот побочных резонансов определяется гармоническими
обертонами продольных колебаний по длине, колебаниями по ширине и колебаниями
других видов (изгибных и сдвиговых). Интенсивны только частоты обертонов
нечетного порядка, почти кратные частоте рабочих колебаний. Частоты
обертонов четного порядка практически не обнаруживаются или очень сильно
ослаблены (более чем на 60 дБ). Резонаторы XT с узкими ПЭ обычно свободны
от близких побочных резонансов. У резонаторов XT имеются отношения
размеров ПЭ, при которых возникают близкие побочные резонансы, обусловленные
колебаниями изгиба по ширине четных порядков. Изготовитель должен
исключить использование таких отношений размеров. В резонаторах ХЕ с широкими
ПЭ обнаруживаются резонансы, обусловленные колебаниями сдвига и сжатия*—
растяжения по ширине, о расположении которых дает представление график
на рис, 9.1,
132

Обертоны продольных колебаний могут быть ослаблены соответствующим
укорочением электродов. Спектральные характеристики ХЩ и Х:П (с щелевыми
й составными ПЗ) примерно такие же, как и у резонаторов XT. У
резонаторов ЖТ имеется интенсивный побочный резонанс, обусловленный продольными
колебаниями по длине, частота которого ниже рабочей частоты примерно на
16%. Кроме того, имеются побочные резонансы, обусловленные связью с
колебаниями изгиба по толщине — ширине и по толщине — длине.
Зависимость частоты от температуры. Для резонаторов с ПЭ среза xys/a
ТЧХ зависят как от угла среза а, так и отношения ширины и толщины к
длине ПЭ. На рис. 9.6 приведена зависимость среднего ТКЧ пластин J-среза от
отношения их ширины к длине, из которой видно, что малое значение ТКЧ
имеют узкие ПЭ с отношением этих размеров менее 0,2. В пределах
отношений 0,2 ... 0,3 ТКЧ резко возрастает из-за связи с колебаниями изгиба. У
широких пластин с отношением размеров более 0,3 ТКЧ достигает — 30-10~6 °С-1
(при отношении размеров 0,8).
Резонаторы XT с узкими ПЭ имеют ТЧХ в виде квадратичных парабол,
точка нулевого значения ТКЧ которых в зависимости от угла среза и
отношения размеров находится в пределах 0 ... 50 °С. Коэффициент а2,
характеризующий крутизну ТЧХ в зависимости от угла среза, отношения размеров ПЭ и
технологических факторов, может быть в пределах C... 4,5)-Ю-8 °С_2.
Резонаторы ХЕ с широкими ПЭ (&//>0,3) имеют большое отрицательное
значение ТКЧ, которое возрастает с увеличением b/l от —7-10~6 до —ЗОХ
Х10~6 °С К В области положительных температур зависимость ТЧХ почти
линейна. На рис. 9.6 приведены ТЧХ резонаторов XT и ХЕ с пьезоэлементамв
разной ширины.
^ Резонаторы ХФ имеют линейные ТЧХ. Средний ТКЧ отрицательный,
равный —125·Я0 6 °С~1, не зависит от отношения размеров ПЭ.
139'

Рис. 9.8. Вид ТЧХ резонатора ЖТ
Рис. 9.9. Область значений
сопротивления резонаторов продольных
колебаний в зависимости от частоты
Резонаторы ШТ имеют такие же ТЧХ, как и XT, а точка нулевого
значения ТЧХ может достигать 60 °С.
Резонаторы ХП, ХЩ имеют ТЧХ, точка 70 которых находится в пределах
0... 40 °С. На рис. 9.7 приведены ТЧХ резонаторов ХЕ и ХЩ с ПЭ
одинаковых размеров, иллюстрирующие влияние щелей на положение точки 7Y В то
время как сплошной ПЭ в области температур 0 ... 75 °С имеет ТКЧср~—5Х
Х10~6 °С~1 и точку То вблизи —40 °С, у ПЭ тех же размеров со щелямв
ТКЧср — 0,6·?0~6 °С~\ а точка Го соответствует температуре 23 °С.
Коэффициенты а2 соответственно равны —3,5·10~8 и 3,2-10-8 °С~2.
Резонаторы ЖТ имеют ТЧХ, описываемые кубической зависимостью от
температуры. Очень малое значение ТКЧ в широкой области температур
получается при определенных углах среза ? (около 51°) и отношения ширины к длине
(около 0,859). Вид ТЧХ резонатора ЖТ изображен на рис. 9.8.
Эквивалентные параметры. Сопротивление. Зависимость сопротивления
резонаторов от частоты показана на рис. 9.9. Сопротивление обычно несколька
возрастает с увеличением температуры. Температурный коэффициент
сопротивления зависит от числа и расположения мест присоединения струн,
количества и качества припоя и обычно не превышает 0,4% °C~i при использовании
припоя, не содержащего свинца. Для вакуумных резонаторов XT
сопротивление .может быть в пределах 40... 1000 О-м, для герметичных — 500 ... 10 000 Ом,
Для резонаторов, не имеющих отражателей на струнах, характерны разбросы
сопротивления и нерегулярные его изменения от температуры. Резонаторы с
отражателями имеют небольшие разбросы сопротивления (порядка 25 %).
Индуктивность резонаторов зависит от частоты, а также отношений
размеров, ориентации ПЭ и размеров электродов. О порядке ее значений можно
судить по графику на рис. 9.10.
Индуктивность зависит от угла среза ПЭ, размеров ПЭ и электродов я
связана с ними зависимостью
L1=^KLls/b,
где Kl — коэффициент индуктивности, зависящий от угла среза ПЭ и
некоторых других факторов. Для резонаторов XT с узкими ПЭ значения Kl
составляют П...9 Гн/мм. Для резонаторов ХЕ в зависимости от отношения
ширины к длине он .может быть в пределах 10 ... 15 Гн/мм. При укороченных
электродах, которые используют для ослабления обертонов или уменьшения
емкостного коэффициента, индуктивность возрастает. Для широкополосных
КФ с катушками индуктивности требуются резонаторы с возможно меньшими
индуктивностями, для чего используют резонаторы ХЕ и ХФ с широкими ПЭ,
Резонаторы ХЩ и ХП могут иметь в 3 ... 6 раз меньшие индуктивности, чем
резонаторы XT, и в несколько раз меньший ТКЧ, чем резонаторы ХЕ и ХФ.
134

Рис. 9.10. Область значений индук- Рис. 9.11. Зависимости изменений
тивности резонаторов продольных частоты A) и сопротивления B)
колебаний в зависимости от частоты резонаторов XT от мощности
рассеяния
Параллельная емкость С0 уменьшается с повышением частоты и обычно
заключается в пределах 12... 7 пФ.
Добротность. Для вакуумных резонаторов добротность в зависимости от
частоты и конструкции находится в пределах E0... 500) ·<108. Герметичные
резонаторы имеют меньшую добротность B0 ...100) -103.
Емкостный коэффициент. Резонаторы ПК имеют наименьшее значение
емкостного коэффициента A30 имеют резонаторы XT). У резонаторов ХЕ и ХФ
емкостной коэффициент несколько больше (около 140). Такое же значение
имеют и резонаторы со сложным ПЭ — резонаторы ХЩ, ХП и ШТ.
Резонаторы МТ в зависимости от угла среза и отношения размеров имеют емкостной
коэффициент 180».'260, а резонаторы ЖТ — 350.
Уровень возбуждения. Предельно допустимый уровень возбуждения
принято считать равным 1 ;мВт. Однако эта мощность явно завышена, я обычно
изготовители ограничивают ее значением 0,1 мВт. Рекомендуется максимально
допустимый ток через кварц рассчитывать по формулам /=260//. и /=600//,
где / — ток, мА; / — частота, кГц. Первая формула предназначена для частот до
170 кГц, вторая—--для более высоких частот. Частота при увеличении мощности
рассеяния понижается, а сопротивление резонаторов возрастает (рис. 9.11).
Старение. Величины старения существенно определяются конструктивными
и технологическими факторами и уровнем производства. В большинстве
случаев изготовители за гарантийные нормы старения A0... 12 лет) принимают
величины ±30-10~6 для герметичных и ±20· 10~6 для вакуумных резонаторов.
Эти нормы следует считать завышенными, рассчитанными на низкий уровень
производства. Для герметичных резонаторов с паяным корпусом обычно
старение менее ±10·10~6 за первый год, а для резонаторов с корпусами,
соединенными холодной сваркой, и для вакуумных резонаторов ±6 ·?0~.
9.3. Конструкции резонаторов
Корпуса. Резонаторы выпускают герметичными в корпусах типа У.
Вакуумные резонаторы выпускают в корпусах типов Э и С. Последние используют
Аля резонаторов ХЕ и ХФ на низкие частоты с широкими ПЭ. В
зависимости от частоты используются разные типоразмеры корпусов (табл. 9.2).
Кварцедержатели. В корпусах типов Э и С преимущественно используются
кварцедержатели в виде каркасов, в плоских герметичных корпусах
использует консольное крепление.
Крепление пьезоэлементов осуществляют двумя или четырьмя
проволочными держателями Добычно струнами). Крепление двумя струнами в центрах
ироких граней механически недостаточно прочно и применяется редко.
Используют два варианта расположения точек крепления четырех струн:
««речное и продольное (рис. 9.12). В последнем случае крепление распола-
135

гают в так называемых
нейтральных точках, в которых
присоединение элементов крепления не
влияет на частоту [9.6]. Эти
точки расположены на расстоянии
0,41 длины ПЭ от его концов.
На держателях, как правило,
располагают отражатели в виде
дисков, что обеспечивает более
высокую добротность, меньшие
разбросы сопротивления, а также
регулярное и незначительное
изменение последнего от
температуры.
Механическая прочность и
устойчивость. Наименее прочны
резонаторы с креплением ПЭ
двумя струнами; его используют в
устаревших конструкциях
резонаторов, работающих в
стационарных условиях, или в резонаторах
на частоты выше 150 кГц.
Наиболее прочны резонаторы с
продольным расположением
держателей. Они способны выдерживать длительные вибрации до 20 g на частотах
до 5000 Гц и одиночные удары до 500 g.
Резонаторы с креплением двумя держателями обладают невысокой
механической устойчивостью.
Следует иметь в виду, что у относительно тонких и длинных ПЭ частота
изгибных колебаний .может быть в пределах частот внешних вибраций. В этих
случаях вибропрочность и виброустойчивость резко снижаются. У резонаторов
на частоты выше 100 кГц изгибные колебания ПЭ обычно выше 5000 Гц, в
воздействие вибраций для них не опасно. Обычно влияние механических
воздействий вызывает изменение частоты до ±6-\0~6. Частота в результате
механических воздействий понижается. Могут наблюдаться как обратимые, так и
необратимые изменения частоты.
Число полюсов и частот. Резонаторы для фильтров часто делают четырех-
полюсными, для чего электроды делят на две пары узкими продольными или
поперечными зазорами. Электроды имеют одинаковые или неодинаковые
размеры. В первом случае эквивалентные параметры, измеренные для обеих
половин, одинаковы, во втором — различны. Такой четырехполюсныи резонатор
эквивалентен двум резонаторам, частоты которых одинаковы. Индуктивность,
Рис. 9.12. Варианты расположения мест
крепления проволочных держателей на
поверхности пьезоэлемента:
а — центральное, двумя держателями; б —
поперечное, четырьмя держателями; в —
продольное, в нейтральных точках
Таблица 9.2. Типоразмеры корпусов резонаторов продольных колебаний
Поддиапазоны
частот, кГц
50... 60
60... 65 |
65... 75
75... 85 |
85... 100
100... 150
150 ...200
Типы корпусов
э
„
ЭК
эк
эй
эж
ЭЕ
эг
Э82
Э72
Э72
Э62
Э52
Э47
Э37
1 с
сж
СЕ, СЖ
СЕ
сд
сг
—
C86
C74
С64, С75*
С64
С54
С48
Примечание. В левых столбцах типоразмеров корпусов даются новые
обозначения, в правых — старые.
136

измеренная на одной паре выводов, вдвое больше полной индуктивности. При
поперечном делении электродов используют продольное крепление держателей
наоборот, при продольном делении—поперечное их крепление.
' Выпускаются также сдвоенные резонаторы в одном корпусе типа С или 3,
которых установлены два ПЭ различной частоты, а также резонаторы в
корпусах от микросхем с числом ПЭ до четырех.
9.4. Влияние конструктивных и технологических факторов на
качество резонаторов
На электрические и эксплуатационные характеристики резонаторов
существенно влияет крепление ПЭ. Лучшие характеристики имеют резонаторы с
продольным креплением четырех струн в нейтральных точках ПЭ. Наличие
отражателей необходимо для обеспечения низких сопротивлений, уменьшения его
разбросов и нестабильности при изменении температуры. Крепление струн
должно осуществляться дозированным припоем, не содержащим свинец. Влияние
состава припоя на температурные характеристики сопротивления резонаторов
продольных колебаний было показано в разд. 4. Испытания резонаторов с
таким припоем показали большую их механическую прочность и устойчивость и
меньшее старение.
9.5. Резонаторы с пьезоэлементами сложной формы
Резонаторы ХЩ. В резонаторах этого типа с щелевыми ПЭ (см. рис. 9.4)
сочетаются преимущества резонаторов ХЕ (низкая индуктивность) и XT
(малый ТКЧ). Изготовление щелевых ПЭ несложно и осуществляется
ультразвуковой резкой. Сравнительные данные ХЕ и ХЩ с ПЭ одинаковых размеров
C0,4X16,1X0,8 мм) и среза (xys/+'5°) приведены в табл. 9.3. Из таблицы
видно, что резонатор ХЩ имеет на порядок меньшее значение ТКЧ, чем
резонатор ХЕ. Побочные резонансы у резонаторов ХЩ удалены от основного
значительно дальше.
Резонаторы ХЩ конструктивно выполняются как и резонаторы ХЕ и
выпускаются в зависимости от размеров ПЭ в корпусах типа Э или С.
Резонаторы ХП. Резонаторы этого типа имеют составные ПЭ в виде
пакета узких пластин, соединенных в одно целое по торцам перемычками.
Электроды пластин соединены между собой параллельно, в результате чего
индуктивность резонатора оказывается в несколько раз ниже, чем у резонатора с
ПЭ в виде одной пластины. Резонаторы ХП более шмлактны, чем
резонаторы ХЩ, и имеют те же габариты, что и резонаторы XT {обычно
выпускаются в корпусах типа Э). Их ТЧХ, емкостной коэффициент такие же, как у
резонаторов XT,
Резонаторы .ШТ. Резонаторы, описанные голландскими специалистами,
имеют ПЭ среза xys/a в виде параллелограммов. Торцевые грани образуют
определенный угол с продольными гранями ПЭ, что уменьшает нежелательную
связь ПК со вторым обертоном изгибных, определяющую аномалии ТЧХ для
отношений ширины к длине в области значений 0,2... 0,3. Пьезоэлементы ШТ
Таблица 9.3. Сравнительные данные резонаторов ХЕ и ХЩ
с пьезоэлементами одинаковых размеров
Частота, '
кГц
89,904
90,268
ТКЧХ10-6, °C-V
в интервале
температур
0 .·.. 70 °G
6
,/·· 0,6
• Точка
нулевого
ткч, °с
-40
23
U, Гн
18,5
-„21;. ,
QX10-3
,80
60
Частота
ближайшего
побочного
резонанса, кГц
л 118,5
180
137

позволяют осуществлять резонаторы .с широкими ПЭ, следовательно, с малымв
значениями индуктивности и ХКЧ. Поэтому резонаторы ШТ имеют лучшие
параметры по сравнению с резонаторами ХФ и ХЕ. ; i
9.6. Резонаторы ЖТ
Резонаторы ЖТ занимают особое место не только среди НЧ, но и среди
всех видов КР, поскольку они обладают наименьшим значением ТКЧ в очень
широком интервале температур (примерно —40...100°С). Они достаточно
широко применялись в 40—60-х годах на частотах 100...200 кГц
преимущественно как прецизионные резонаторы для стандартов частоты. Затем в связи с
успехами в разработке и производстве других типов резонаторов контурно-
сдвиговых колебаний интерес к ним пропал и они были вытеснены
резонаторами других срезов. Однако в начале 80-х годов к ним вновь возродился интерес
в связи с успехами по внедрению групповой технологии производства
резонаторов с применением .методов фотолитографии, позволяющей изготовлять
миниатюрные резонаторы ЖТ на частоты до 2 ... 4 МГц [9.7].
Особенностью резонаторов ЖТ является использование ПЭ двухповоротно-
го среза z/#/s/520/45°, в результате чего возбуждаемые в них
контурно-сдвиговые колебания преобразуются в два связанных продольных колебания (по
длине и по ширине). При определенном отношении ширины к длине ПЭ для
ПК по ширине может быть достигнуто очень малое значение ТКЧ. Типовая
зависимость ТЧХ для резонаторов ЖТ имеет вид, изображенный на рис, 9.8,
Резонаторы ЖТ позволяют реализовать стабильность в области
положительных температур @ ... 100 °-С) в пределах 2·ТО-6, не прибегая к средствам тер-
мокомпенсации частоты.
'Крепление ПЭ ранее осуществлялось в узловой точке, расположенной в
геометрическом центре плоскости ПЭ. Специфика колебаний среза ЖТ
обусловливает наличие побочного низкочастотного резонанса, соизмеримого по
амплитуде с полезным. Поэтому при их использовании в КГ необходимо
применять избирательные цепи, исключающие возможность возбуждения на
побочном резонансе. Кроме того, могут наблюдаться побочные резонансы,
обусловленные колебаниями изгиба в плоскости толщина — контурные размеры. Их
можно ослабить соответствующим подбором толщины ПЭ.
За последние годы разработаны интегральные ПЭ среза ЖТ, получаемые
методами фотолитографии, причем конструкция узлов крепления выполнена
таким образом (рис. 9.13), что они в значительной мере ослабляют
возбуждение побочной продольной моды колебаний, с одной стороны, и исключают
влияние системы крепления ПЭ на параметры резонатора—е другой.
Резонаторы с такими ПЭ имеют минимальные габариты и отличные технические
характеристики в диапазоне частот 0,5 ...3 МГц.
Отметим, что применение групповой технологии обработки и методов
фотолитографии позволит реализовать конструкции ПЭ с контурно-сдвиговыми
колебаниями, аналогичные предложенным в [97]. Вариант такой конструкции,
изображенный на рис. 9.13, позволит
уменьшить влияние системы крепления
и создать резонаторы с очень высокой
механической прочностью и
устойчивостью.
Резонаторы ЖТ целесообразно ис-
] пользовать преимущественно в КГ на
частоты 500... 2000 кГц, от которых
требуется повышенная стабильность
частоты порядка 5· Ю-6. Они
характеризуются низкими сопротивлениями
(порядка десятков ом) и высокой
добротностью (порядка 105), имеют относи-
Рис. 9.13. Миниатюрный монолитный тельно узкую полосу пропускания,
пьезоэлемент среза ЖТ с элемента- Опыт производства резонаторов ЖТ
ми крепления имеет небольшое число предприятий.
338

Таблица 9.4. Характеристики резонаторов ЖТ
Срез
yxlslbb°l4b°
yxls/Sri45°
Размеры ПЭ, мм
Ширина
1,637
1,677
Длина
1,732
1,774
Толщина
0,05
0,05
Частота,
МГЦ
2,05
2,1

Эквивалентные
параметры
/??. Ом
80
75
Lx, Гн
1,2
2,1
Доброт-
Q,X103
195
170
1 -
-60 -W -20 0 20 kO 60 80 WO T,°C
Рис. 9.14. Температурные характеристики частоты миниатюрных резонаторов
ЖТ с интегральными пьезоэлементами
Характеристики микрорезонаторов ЖТ приведены в табл. 9.4. На рис. 9.14
показаны ТЧХ миниатюрных резонаторов ЖТ, пьезоэлементы которых
изготовлены методами фотолитографии [9.7]. Японские фирмы «Дайни Сейкоша»,
используя описанную выше технологию, выпускает миниатюрные резонаторы
модифицированного ЖТ-среза в круглых металлических корпусах с
герметизацией напрессовкой (см. разд. 5) с размерами 3,8X8,6 мм на частоты 1 ... 1,6 МГц
и в корпусе диаметром 3 мм на частоты 1,7 ... 3 МГц.
9.7. Рекомендации по применению
Резонаторы продольных колебаний семейства Х-срезов используют
преимущественно в кварцевых фильтрах. Использовать их в КГ на
фиксированные частоты не рекомендуется, так как они уступают по стабильности
частоты резонаторам крутильных колебаний, имеющих меньшие размеры,
нестабильность частоты и чувствительность к уровню возбуждения.
Сведения о производстве. Резонаторы продольных колебаний XT и ХЕ
освоены в серийном производстве и выпускаются вакуумными в корпусах типа
Э (XT) и С (ХЕ) на частоты 50 ... 250 кГц. Опыт их производства имеют
многие предприятия. Резонаторы со сложными ПЭ — составными (ХП), щелевыми
(ХЩ) выпускаются опытным производством. Резонаторы МТ и ШТ не
выпускаются. Для собственных нужд некоторые предприятия изготовляют
бескорпусные резонаторы XT для гибридных пьезофильтров. Резонаторы ЖТ
выпускают небольшое число предприятий, и опыт их производства небольшой.
Резонаторы ЖТ с интегральными ПЭ, возможно, будут освоены в опытном
производстве в 1992 г.
9.8. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Конструкции резонаторов в плоских прямоугольных корпусах от микросхем
являются перспективными и более пригодными для современной аппаратуры.
Возможно использование таких корпусов и для резонаторов ПК. Эти корпуса
139

позволяют размещать в них несколько ПЭ. Существенные преимущества в
фильтрах дает использование резонаторов с ПЭ сложной формы — ХЩ, ХП
и ШТ.
За последние годы на рынке западных стран появились изделия, в
которых использованы микрорезонаторы ПК, изготовленные методами
фотолитографии и травления. Это MP с ПЭ Х-среза, а также и срезов ЖТ и ЗТ.
Сведения о них даны в разд. 18 и 19.
Резонаторы ПК из «сильных» пьезоэлектриков позволяют улучшить такой*
важный для фильтровых резонаторов параметр, как емкостный коэффициент.
С расширением производства резонаторов из кристаллов ТЛ и освоением
производства кристаллов лангасита следует ожидать, что резонаторы из этих,
кристаллов окажутся более предпочтительными, чем кварцевые, учитывая
также возможности реализации относительно малого значения ТКЧ (см. разд. 21).
Как показала практика проектирования гибридных КФ, использование
бескорпусных резонаторов позволяет существенно уменьшить их объем и
размеры без ухудшения электрических и эксплуатационных параметров.
Литература к разделу 9
9.1. Mason W. Electrical wave filters employing quartz crystals as elements//
The Bell System Technical J. — 1934. —Vol XIII, ? 3. — ?. 405—452.
9.2. Bechmann R. Eigenschaften von quarzoszillatoren und resonatoren im be-
reich von 50 bis 300 kH//Hochfrequenztechnik und Elektroakustik. — 1943. —
Bd. 61, N 1. — S. 1—12.
9.3. Пат. 1051915 ФРГ. Piezoelektrischer quarzkristall langlicher gestalt/C,
Franx, 1959.
9.4. A. c. 150881 СССР. Пьезоэлектрический резонатор с кристаллическим-
пьезоэлементом/П. Г. Поздняков. — Опубл. 1962, Бюл. № 20.
9.5. Поздняков П. Г. Влияние упругих связей на характеристики резонато-
ров//Электронная техника. Сер. 5.— 1988. — Вып. 3 G2). — С. 53.
9.6. Банков В. Н., Поздняков П. Г., Бирюков В. И, О креплении пьезоэле-
ментов вне узлов колебаний//Электронная техника. Сер. 9. — 1970. — Вып. 6. —
С. 53—58.
9.7. Kawashima ?. Quartz crystal resonator//! of Electronic Engineering.—
1982. —Vol. 19. —N 187. —P. 47—51.
РАЗДЕЛ 10.
РЕЗОНАТОРЫ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
10.1· Общие сведения
Резонаторы крутильных колебаний (КК) до 60-х годов не были известны,
и даже в современных зарубежных руководствах сведения о них отсутствуют.
Имеется несколько работ, опубликованных в 30-е годы, в которых
рассмотрены условия пьезоэлектрического возбуждения кручения в кварцевых стержнях
к описаны наблюдения колебаний кручения. Перечень этих работ имеется в
[4]. Первая работа, содержащая сведения о возможности достижения малого
значения ТКЧ У резонаторов КК> опубликована в 1940 г. Практического
значения эта работа не имела. Резонаторы КК нашли практическое применение в
СССР как результат отечественных изобретений и исследований, выполненных
в 50 — 60-е годы [ЮЛ — 10.17] .За рубежом эти резонаторы только начинают
применяться и сведений о них мало. В отечественной научной и технической
литературе имеются публикации, содержащие вопросы теории, расчета и
проектирования резонаторов КК, представляющие интерес преимущественно для
специалистов— разработчиков резонаторов, но содержащие ограниченные све*
W.

дения для потребителей. Резонаторы КК патентно чисты, защищены
авторскими свидетельствами и патентами в ряде стран [ЮЛ — ШЛО]. Практика их
отечественного производства ,и эксплуатации в ответственной аппаратуре
насчитывает более 30 лет. Резонаторы К'К легко поддаются 'миниатюризации, в
микрорезонаторы КК успешно освоены в серийном производстве.
Особенности колебаний. Крутильные колебания, как и колебания изгиба,
могут возникать только в телах ограниченной формы, например в стержнях
или пластинах. Крутильные колебания сходны с колебаниями сжатия —
растяжения длинных стержней и описываются одинаковыми уравнениями
движения. Однако между ними есть и различия. Частота КК длинного узкого
стержня существенно зависит от формы и отношения размеров его поперечного
сечения, в то время как частота продольных колебаний практически не зависит
от этих факторов. Отношение основной частоты к частотам обертонов КК
почти кратное и сохраняется до обертонов очень высоких порядков (до 30),
причем отклонение от кратности не превышает долей процента. У продольных
колебаний отклонения частот обертонов от кратности быстро возрастают с
номером обертона и достигают нескольких процентов.
Скорость распространения КК в 1,5 ...2 раза ниже скорости продольных.
Соответственно и частоты КК колебаний стержня ниже частот его продольных
колебаний.
При колебаниях кручения, одна половина стержня закручивается в одну
сторону, а другая в противоположную. Кручение происходит вокруг
продольной оси стержня, называемой осью кручения (см. рис. 1.10,6). Упругие волны
распространяются вдоль оси кручения, т. е. по длине стержня, вдоль которой
устанавливаются стоячие волны, число полуволн которых определяет порядок
колебаний. Торцы стержня при колебаниях совершают наибольшие смещения.
Эпюры колебательных смещений и напряжений при колебаниях кручения схожи
с эпюрами продольных колебаний (см. рис. 1.9).
Возбуждение колебаний. Задача возбуждения кручения сходна с задачей
возбуждения изгиба, так как я в том, и в другом случаях в стержне
необходимо возбудить противоположно направленные деформации. Для этого
необходима поляризация половин стержня в противоположных направлениях. Ориен*.
тация стержня и расположение электродов должны быть такими, чтобы в
половинах стержня возникали противоположно направленные касательные
напряжения, т. е. возникало напряженное состояние, характерное для кручения.
Колебания кручения можно возбудить в кварцевом стержне любой
ориентации, однако наиболее просто и эффективно возбуждать их в стержнях, оси
которых совпадают с направлением оси X кварца. Для возбуждения стержней
такой ориентации используют четыре электрода чередующейся полярности,
расположенные на боковых гранях стержня и подобные тем, которые используют
для возбуждения изгиба.
В стержне с электродами, равными длине ПЭ, возбуждаются только
нечетные обертоны КК, четные обертоны при этом не возбуждаются из-за
полной компенсации пьезоэлектрических зарядов. Эффективное возбуждение
обертонов достигается секционированным электродом, причем число секций должно
соответствовать номеру обертона (см. рис. 1.19). Следует заметить, что
нечетные обертоны КК у ПЭ с длинными электродами достаточно интенсивны и
часто бывают соизмеримы (по сопротивлению) с основным колебанием. Для
ослабления обертонов используют укорочение электродов; при симметричном
укорочении электродов на 1/6 часть длины (от конца ПЭ) практически
подавляется третий обертон [10.11]? У двухполюсных резонаторов электроды на
противоположных гранях,'.соединяют между собой, у трехполюсных соединяют
только одну пару противоположных электродов (рис. 10.1).
Срезы и пьезоэлементы. Практическое применение получили ПЭ в виде
тонких стержней прямоугольного сечения, длина которых совпадает с
направлением оси X кварца. Срезы таких стержней относятся к семейству повернутых
У-срезов, имеющих обозначения ухЩ (рис. 10.2). Пьезоэлементы этих срезов
имеют ряд преимуществ: . ,
отсутствие упругих связей с другими видами колебаний и,; как следствие',
чистота частотного спектра;
141

Рис. 10.1. Схемы соединений
электродов пьезоэлемента крутильных
колебаний:
а — трехполюсного; б — двухполюсного
Рис. 10.2. Ориентация ПЭ
крутильных колебаний (срезы семейства
повернутых У-срезов yxl/$)
относительно осей кварца
возможность достижения малого значения ТКЧ для широкого интервала
углов среза и определенных отношений поперечных размеров;
простота разделки кристаллов кварца на заготовки и возможность
регулирования ТЧХ изменением отношения размеров ПЭ.
Первоначально использовались ПЭ среза у xlf+35° ?[10.1], но вскоре вместо
них стали применять ПЭ среза ух1/±4Б°, позволяющие более эффективно
регулировать ТЧХ небольшим изменением отношения поперечных размеров ПЭ,
а не угла среза, что является существенным их преимуществом, упрощающим
производство. Резонаторы с ПЭ среза ##//+46° имеют родовое обозначение ВП;
они получили наиболее широкое распространение. Обнаружены также другие
срезы крутильных колебаний, имеющие меньшее значение ТКЧ, чем ПЭ
резонаторов ВП45°.
При некоторых углах среза и отношениях поперечных размеров ТЧХ
имеют вид кубических парабол, оба экстремума которых расположены в области
высоких температур [10,17].
Параметры резонаторов ВП (в том числе и ТЧХ) практически не зависят
от отношения размеров поперечного сечения к длине, что позволяет без
ухудшения параметров существенно уменьшать сечение ПЭ. Резонаторы ВП с ПЭ
сечением около 1X1 мм позволили создать серию· MP на частоты от 200 до
1000 кГц.
Классификация. Резонаторы крутильных колебаний классифицируют по
срезу ПЭ и конструктивным признакам, в частности по виду крепления ПЭ.
Преимущественно используются резонаторы ВП с ПЭ среза yxl/^FiS0. Родовое
обозначение ВП дополняется числом, обозначающим угол среза ? в градусах, и
численным индексом, обозначающим порядок колебаний или номер обертона.
Например, родовое обозначение ВП45°з означает, что резонатор ВП имеет ПЭ
с углом среза ? = 45° и работает на третьем обертоне.
По конструкции крепления различают резонаторы с боковым и осевым
креплением.
10.2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Резонаторы крутильных колебаний выпускают на частоты
40 ... 1000 кГц. На частоты 40... 500 кГц используют колебания первого
порядка. Обертоны используют на частотах 250 ... 1000 кГц. Резонаторы на
частоты ниже 40 кГц имеют значительную длину ПЭ и соответственно длину кор^
пусов, что ограничивает их применение. Частоты ПЭ связаны с его ^ длиной
зависимостью f — nKflU где ? — целое число, равное порядку колебаний; Kf —
частотный коэффициент, зависящий от угла среза, физических констант кварца
и отношения поперечных размеров ПЭ. На рис. 10.3 приведена зависимость
142

OJ 0,8 0,9
Рис. 10.о. Зависимости частотногэ
коэффициента Kf и точки нулевого
значения ТКЧ TQ от отношения
размеров сечения s/b ПЭ:
Рис. 10.5. Типичная ТЧХ резонатора
вп
Рис. 10.4. Пьезоэлемеит крутильных
колебаний с укороченными
электродами
часг-зтного коэффициента для угла среза ±45°. Отношение толщины к ширине
ПЭ среза yxt/^iS0 обычно заключается в пределах 0,9 ... 1,0, а частотный
коэффициент ограничивается значениями 1800 ... 1860 кГц-мм. Поэтому на
частоте 40 кГц ПЭ имеет длину около 45 мм, а на частоте 500 кГц около 4,7 мм.
Спектр частот. В ПЭ резонаторов крутильных колебаний срезов yxl/? не
возбуждаются другие виды колебаний, поэтому они не содержат побочных
резонаисов, обусловленных другими видами колебаний. В резонаторах ВП
присутствуют побочные резонансы, обусловленные гармоническими обертонами
крутильных колебаний. Частота ближайшего побочного резонанса втрое выше
рабочей частоты. В резонаторах, ПЭ которых имеют длинные электроды (т. е.
равные длине ПЭ), эти побочные резонансы по интенсивности могут быть
такими же, как и на рабочем резонансе. Для ослабления ближайшего и
наиболее интенсивного резонанса (третьего обертона) прибегают к укорочению
электродов на 1/3 длины ПЭ (рис. 10.4).
У резонаторов, рабочими частотами которых являются обертоны,
возбуждаемые секционированными электродами, имеются побочные резонансы как
выше, так и ниже рабочей частоты. Например, у резонатора, в котором
используются колебания третьего порядка, имеется побочный резонанс ниже
рабочего, обусловленный крутильными колебаниями первого порядка, ослабленный
вследствие секционирования 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 могут возникать близкие по частоте побочные резонансы,
обусловленные близостью частот продольных колебаний второго порядка и
крутильных колебаний третьего порядка.
Зависимость частоты от температуры. Резонаторы ВП имеют ТЧХ в виде
парабол второго порядка, описываемые зависимостью D.5). Параболы
практически симметричны, и коэффициент а2 находится в пределах A,8 ...2,7) X
Х10~8 °С-2. За расчетное принимается значение коэффициента а2=2,5Х
ИЗ

ХЮ^? °С~~2. Положение точки нулевого значения ТКЧ- (Г0) можно изменять
в широких пределах более чем на 100 °С изменением поперечных размеров ПЭ
в пределах 0,8 ... 1. Зависимость параметра Т0 от отношения толщины к
ширине ПЭ показана на рис. Л0.3. Параметр ,Г0 несколько зависит и от
отношения ширины к длине ПЭ. Типичная ТЧХ резонатора ВП приведена на рис,
10.5. Разбросы положения точки Т0 обычно невелики и не превышают ±6°С,
С повышением порядка колебаний точка То смещается в область более
высоких температур. Крутизна ТЧХ резонаторов, работающих на обертонах,
аналогична ТЧХ резонаторов на колебаниях первого порядка [!10.12·—'10.14].
Эквивалентные параметры. Сопротивление. Сопротивление резонаторов В.П
зависит от частоты, уменьшаясь с ее повышением. На частотах ниже 100 кГп
в зависимости от конструкции и технологии сопротивление колеблется в
пределах 500... 2500 Ом, на более высоких частотах — в пределах. 100 ... 500 Ом
для резонаторов на основной частоте. Резонаторы на обертонах имеют более
низкие сопротивления в пределах 5 ... 100 Ом на частотах 300... 1000 кГц.
Сопротивление резонаторов с боковым креплением ПЭ возрастает с
повышением температуры. Температурный коэффициент сопротивления существенно
зависит от состава припоя, которым крепятся держатели, а также типа
крепления. При осевом креплении ПЭ сопротивление практически не зависит ??
температуры. Сопротивление резонаторов на обертонах сильно зависит от
температуры. Сопротивление резонаторов на обертонах сильно зависит от
величины атмосферного давления. Например, у вакуумных резонаторов сопротивление
в 10... 20 раз ниже, чем у газонаполненных. В то же время сопротивление
у резонаторов, работающих на основной частоте, при откачке воздуха из
колбы снижается в 2 ... 3 раза. Этим объясняется тот факт, что у резонаторов КК
при неукороченных электродах сопротивление побочных резонансов на
обертонах может быть соизмеримым с сопротивлением на основной частоте, что при
использовании их в апериодических схемах КГ может стать причиной отказа
из-за возбуждения КГ на обертоне. Из этих соображений в вакуумных
резонаторах следует использовать укороченные соответствующим образом
электроды. В герметичных резонаторах обертоны достаточно ослаблены и не могут
быть причинами отказов.
Индуктивность резонаторов В ? пропорциональна длине ПЭ, следовательно,
уменьшается с повышением частоты [10.16]. На рис. 10.6 приведена
зависимость индуктивности от частоты для резонаторов ??? 45 почти квадратного
сечения. Индуктивность резонаторов ВП не зависит от площади сечения, но
заметно возрастает с отклонением от формы квадрата, т. е. с уменьшением
отношения толщины к ширине. Индуктивность зависит от величины зазора
между электродами на ребрах ПЭ и возрастает с его увеличением. У
резонаторов с укороченными электродами индуктивность больше. Так, при
укорочении электродов на; 1/3 длины ПЭ индуктивность возрастает приблизительно
Рис. 10.6. Область возможных
значений ' индуктивности ., резонаторов
Ш1 в зависимости от частоты
с 144
Рис.: 10.7. Зависимость частоты,
резонаторов ВЦ от мощности
рассеяния '

на 20 % [10.11]. При использовании обертонов КК индуктивность
уменьшается в я раз, где ? — число секций при параллельном соединении
секционированных электродов. г
Параллельная емкость. Ее значения. заключаются в пределах 5... 15 пФ,
причем большие значения соответствуют низким частотам.
. Добротность вакуумных резонаторов в зависимости от уровня
производства и конструктивных особенностей колеблется в пределах E0... 500) · 103.
Зависимость добротности от температуры определяется температурной
зависимостью сопротивления.
Емкостный коэффициент. Значения емкостного коэффициента находятся в
пределах 500... 700. Большие его значения наблюдаются у резонаторов на
обертонах с секционированными электродами, так как параллельная емкость
при этом возрастает из-за межсекционных зазоров. Значение емкостного
коэффициента определяет относительно небольшой резонансный промежуток
резонаторов ВП, не превышающий 0,1 %.
Уровень возбуждения. С увеличением мощности рассеяния частота
резонаторов понижается, а сопротивление возрастает (рис. 10.7). Величины
изменений частоты при этом зависят от типа крепления и свойств припоя. Уровень
возбуждения в 1 мВт еще не вызывает необратимых изменений частоты, и это
значение принимают в качестве предельно допустимой мощности рассеяния.
При изменении мощности рассеяния от 0,01 до 1 мВт изменения частоты могут
достигать 10-10-6, а сопротивления до 50%. Рекомендуется эксплуатировать
резонаторы при уровне возбуждения менее ОД мВт. При этом изменение
мощности рассеяния на ±20 % вызывает изменение частоты на ±0,5-Ю-6.
Старение. Вакуумные резонаторы в корпусах типа Э характеризуются
небольшим старением. Изменения частоты за первый год хранения и
эксплуатации обычно не превышают ±5·10, и за гарантийную норму старения A0...
12 лет) принимают ±iA0 ... 15)-Ю.
10.3. Конструкции резонаторов
Корпуса. Резонаторы ВП выпускают вакуумными в стеклянных корпусах
типа Э. На частоты выше 100 кГц резонаторы выпускают в корпусах типов
Э.37 .и Э.32, на частоту 50 кГц—в корпусе Э.52.
Микрорезонаторы выпускают вакуумными в металлических корпусах ЧВ
на частоты 250 ...600 кГц, а также в бескорпусном варианте для
использования в ПЭУ.
В опытном производстве выпускают герметичные кварцевые резонаторы в
плоских металлических корпусах от микросхем с расположением в одном
корпусе двух, четырех и восьми ПЭ. Такие резонаторы используются в КФ на
частотах 100... 800 кГц (рис. 10.8), имеется опыт выпуска вакуумных
резонаторов ВП в стеклянных корпусах диаметром 6 и 4 мм на частоты 100.,.
500 кГц '(рис. 10.9).
Рис. 10.8. Группа из четырех пьезо-. Рис, ЛОД Резонаторы в стеклянных
элементов - в общем металлическом . корпусах от' миниатюрных .радио-
корпусе-от микросхемы , ,^.ламгл диаметром б и 4 мм
¦145

Кварцедержатели. Для резонаторов используют специальные кварцедержа-
тели каркасного типа с четырьмя стойками, обладающие повышенной
жесткостью.
Крепление пьезоэлементов. В ранее разработанных конструкциях крепление
ПЗ осуществляется четырьмя проволочными струнами (рис. ??.??,?),
припаянными в центрах боковых граней. Места присоединения струн совпадают с
узлами смещений, которым соответствуют пучности напряжений. Поэтому такое
крепление, называемое боковым, заметно влияет на характеристики
резонаторов. Например, качество и доза припоя существенно определяют
температурные характеристики сопротивления и старения. На рис. 10.11 для сравнения
приведены температурные характеристики сопротивления резонаторов ВПГ
крепление струн которых выполнено припоем разного состава.
При возбуждении обертонов, порядок колебаний которых нечетный,
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,
поэтому требуются другие конструкции крепления.
Один из вариантов крепления ПЭ крутильных колебаний, который получил
практическое использование, — осевое крепление (см. рис. 10.10,6), влияние
которого на характеристики резонатора меньше, чем при боковом креплении.
Поскольку при осевом креплении струны присоединены в пучностях смещений,
обязательно применение отражателей. Осевое крепление ПЭ позволяет
существенно уменьшить поперечные размеры резонаторов, и оно успешно
используется в микрорезонаторах.
Резонаторы ВП изготовляют и как бескорпусные для использования в ПЭУ.
У них в 3... б раз меньшая добротность и соответственно более высокие
сопротивления. Описание конструкций таких резонаторов приведено в
соответствующем разделе.
Механическая прочность и устойчивость. Жесткие каркасные
кварцедержатели и короткие струны, крепящие ПЭ с четырех сторон, определяют высокую
прочность и жесткость системы крепления, если учесть относительно
небольшую массу ПЭ.
Резонаторы на частоты выше 80 кГц выдерживают одиночные удары до
1000 g, многократные удары до 50 g и длительные вибрации с ускорениями
20 ... 30 g в диапазоне частот до 5000 Гц. Резонаторы на более низкие
частоты имеют меньшую механическую прочность. Изменения частоты после всех
механических воздействий обычно не превышают ±5· Ю-6, что принимают -зз
гарантийную норму.
Микрорезонаторы с ПЭ малой массы и осевым креплением имеют более
высокую прочность и более устойчивы к механическим воздействиям. Они
способны выдерживать одиночные удары до 20 000 g [10.15].
Число полюсов. Резонаторы ВП выпускают только как двухполюсные.
Рис. 10.10. Варианты крепления пьезоэлемен-
(та крутильных колебаний:
а — боковое крепление четырьмя проволочными
держателями; б — осевое крепление двумя
держателями
Рис. 10.11. Влияние состава припоя в местах
крепления держателей к ПЭ на ТКС
резонатора (вариант бокового крепления)
146

10.4. Рекомендации по применению
Потребителям следует иметь в виду, что вакуумные резонаторы В ? в
корпусах типов С и Э разработаны более 30 лет назад и несмотря <на
высокую надежность и хорошие электрические параметры не во всех случаях
удовлетворяют требованиям потребителей из-за больших габаритов. Изготовители
имеют возможность освоить выпуск этих резонаторов в стеклянных корпусах
¦меньшего диаметра (б и 4 мм), что позволяет использовать их и в МЗА.
Необходимо иметь в виду, что освоено серийное производство вакуумных
MP в металлических корпусах на частоты 260... 600 кГц и нет серьезных
затруднений для расширения диапазона до 1000 кГц в результате использования
обертонных ПЭ.
Высокая температурная стабильность, малое старение, устойчивость к
механическим воздействиям, отсутствие близких по частоте побочных резонан-
сов позволяют успешно использовать резонаторы ВП в узкополосных фильтрах,
простых генераторах и генераторах с небольшой перестройкой частоты.
Поэтому резонаторы ВП рекомендуется прежде всего использовать в аппаратуре,
предназначенной для жестких условий эксплуатации. Микрорезопаторы и
бескорпусные резонаторы ВП рекомендуется использовать в микрогенераторах и
гибридных КФ.
Сведения о производстве. Резонаторы крутильных колебаний ВП450
освоены в серийном производстве на ряде предприятий в корпусах типа Э. В
корпусах типа С их производство прекращено. Вакуумные резонаторы ВП в
корпусах Э имеют боковое крепление ПЭ четырьмя держателями и выпускаются
на частоты 50 ... 800 кГц, причем на частоты выше 200 ... 250 кГц используют
ПЭ, возбуждаемые на обертонах. Резонаторы этого конструктивного типа
можно считать устаревшими, поскольку разработаны и выпускаются в
опытном производстве резонаторы в стеклянных корпусах диаметром 6 и 4 мм, не
уступающие по параметрам резонаторам в корпусах Э. На частоты 260...
... 800 кГц освоено серийное производство микрорезонаторов в металлических
корпусах типа ЧВ.
10.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Проведенные исследования дают основания рассчитывать на улучшение
некоторых характеристик резонаторов крутильных колебаний.
Диапазон частот MP, освоенных в производстве, может быть расширен до
1000 кГц в результате использования ПЭ, возбуждаемых на обертонах.
Использование ПЭ в виде цилиндрических стержней облегчает эту задачу.
Миниатюризация резонаторов на частоты ниже 200 кГц может быть
успешно разрешена при использовании камертонов, пластинчатых и щелевых ПЭ
(рис. 10.12,а, б). В результате использования камертонов длина ПЭ может
быть уменьшена в 2 раза. На рис. 10.12,а изображен пьезоэлемент ВП450 с
щелями, расположенными в разных плоскостях, что позволяет получить типичные
ТЧХ резонаторов ВП на более низких частотах.
Далего не использованы возможности улучшения температурной
стабильности частоты резонаторов крутильных колебаний. При сочетании определенных
значений угла среза и отношения размеров ПЭ можно осуществить
резонаторы, среднее значение ЖЧ которых в 1,5 ... 2 раза меньше, чем у резонаторов
ВП. Такие резонаторы имеют -квадратичные ТЧХ, коэффициент а2 которых
составляет A ... 2) · 10~8 °С~2, или кубические ТЧХ, подобные характеристикам
резонаторов AT (рис. 10.13).
Упругий модуль кручения кристаллических пластин определяется модулем
сдвига их широкой грани, поэтому ТЧХ крутильных колебаний пластин,
имеющих ориентации срезов ДТ и ЦТ, сходны с ТЧХ этих пластин при
колебаниях сдвига. Однако колебания кручения в пластинах менее активны, чем в
стержнях почти квадратного сечения (резонаторы КК с пластинчатыми ПЭ
имеют более высокое сопротивление).
147

s)
Рис. 10.12. Пьезоэлементы
крутильных колебаний в виде щелевых
структур:
а — щелевой вариант; б — крутильный
камертон
Рис. 10.13. Кубическая ТЧХ
резонатора крутильных колебаний
Рис. 10.14. Микрорезонатор ВП в
цилиндрическом металлическом корпусе
Целесообразна замена выпускаемых резонаторов ВП в корпусе типа Э
резонаторами в стеклянных корпусах диаметром б и 4 мм, а также
резонаторами в металлических корпусах с осевым расположением выводов диаметром
.2,5 ...3 мм (рис. 10.14).
Литература к разделу 10
10.1. А. с. 118525 СССР. Кварцевый резонатор/П. Г. Поздняков, И. Г.
Васин. — Опубл. 1959, Бюл. № б.
10.2. А. с. 151389 СССР. Кварцевый резонатор/П, Г. Поздняков, И. Г.
Васин. — Опубл. 1966, Бюл. № 24.
10.3. Пат. 1372243 Франция. Кварцевый резонатор/И. Г. Васин, П. Г.
Поздняков. '
10.4. Пат. 1051246 Великобритания. Кварцевый резонатор/И. Г. Васин,
П. Г. Поздняков.
10.5. Пат. 43—22268 Япония. Кварцевый резонатор/И, Г. Васин, П. Г.
Поздняков.
10.6. Пат. 1466582 ФРГ. Кварцевый резонатор/И. Г. Васин, П. Г.
Поздняков.
10.7. Пат, 3376439 США. Кварцевый резонатор/И. Г. Васин, П. Г.
Поздняков.
10.8. А. с. 53162 СССР. Кварцевый резонатор крутильных колебаний/
П. Г. Поздняков, В. Н. Банков, И. Г. Васин. — Опубл. 1969, Бюл. № 30,
10.9. А. с. 683478 СССР. Кварцевый микрорезонатор крутильных
колебаний/В. Г. Андросова, В. Н. Банков, Л. Л. Вепринский и др. — Опубл. 1982,
Бюл. № 48.
10.10. Пат. 1430830 Япония. Кварцевый микрорезонатор крутильных
колебаний/В. Г. Андросова, В. Н. Банков, Л. Л. Вепринский и др.
10.11. Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы крутильных колебаний с
укороченными электродами/Электронная техника. Сер. IX. — 1966. — Вып. 3.—
С. 3—17.
10.12. Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы крутильных
колебаний/Кристаллография. 1970. ~-Т. 15.— Вып. 1. —С. 78—85.
10.13. Поздняков П. Г., Банков В. Н,, Васнн Й. Г. Кварцевые резонаторы
крутильных колебаний//Электронная техника. Сер. IX. ~ 1970.— Вып. 6. — С
3—13. '¦ '
148

10.14. Поздняков П. Г., Банков В. Н., Васин И. Г. Об обертонах крутильных
колебаний кварцевых стержней//Кристаллография. — 1970. — Т. 15.— Вып. 5.—
С 1033—1037.
10.15. Григорьев Л, В., Константинов А. В., Федорков А. П. Миниатюрные
кварцевые резонаторы на крутильных колебаниях для фильтров с высокой
механической устойчивО'Стью//Электронная техника. Сер. 5. — 1985. — Вып. 1
E8). — С. 55.
10.16. Богуш ?. ?. Расчет динамической индуктивности кварцевых
резонаторов с пьезоэлементами среза ВП//Электронная техника. Сер. 5. — 1982.—
Вып. 1D6). —С. 52.
10.17. Богуш М. Е. Температурно-частотные характеристики кварцевых
резонаторов крутильных колебаний//Электронная техника. Сер. 5. — 1980. —
Вып. 1C8). —С. 45.
РАЗДЕЛ 11.
РЕЗОНАТОРЫ СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Резонаторы, ПЭ которых совершают колебания сдвига, образуют наиболее
обширный и важный класс. Они охватывают очень широкую часть
радиотехнического диапазона частот A00 кГц... 300 МГц), в связи с чем примерно 80 %
всего выпуска составляют резонаторы сдвиговых колебаний (СК), если не
считать резонаторы для часов. Они обладают высокой температурной стабильностью
частоты, превосходя в этом отношении резонаторы других типов. Особенно
важны толщинно-сдвиговые колебания (ТСК), позволяющие реализовать
резонаторы на частоты вплоть до 300 МГц и выше. Эти колебания .имеют
преимущества перед толщинно-продольными, поскольку при использовании последних
возникает заметно больше трудностей при устранении и ослаблении близких
побочных резонансов.
ОКварц имеет много срезов с малым ТКЧ для толщинно-сдвиговых
колебаний, в то время как для толщинно-продольных колебаний таких срезов нет. В
современных прецизионных КР используются также ПЭ сдвиговых колебаний.
Широкий диапазон перекрываемых частот обусловил большое разнообразие
видов срезов, форм и размеров ПЭ, а также мод возбуждаемых колебаний.
Учитывая важность и распространенность этих резонаторов, изготовители
постоянно ведут интенсивные исследования по улучшению их характеристик в
расширению диапазона частот.
Впервые СК по толщине использовал А. Хейсинг в конце 20-х годов,
возбудив в 7-срезе кварца толщинные колебания. Несмотря на большое значение
ТКЧ (порядка 100?0~6 °С-1) резонаторы У-среза вытеснили КР продольных
колебаний J-среза и использовались до середины 30-х годов.
Важный шаг в улучшении ТКЧ толщинно-сдвиговых колебаний был
сделан И. Кога (Япония), предложившим в 1932 г. срезы R и г, вырезанные со-
ответственно параллельно граням большого и малого ромбоэдров кварца..
Срезы имели в несколько раз меньшее значение ТКЧ, чем резонаторы У-среза,
и более чистый спектр. Этот результат стимулировал дальнейшие
исследования, и уже в 1934 г. одновременно и независимо исследователями разных страц
(И. Кога в Японии, Р. Бехманом и Г. Штраубелем в Германии и Ф. Лэком,
Дж. Файером и Г. Виллардом в США) были обнаружены два среза ТСК с
малым значением ТКЧ. Эти срезы известны теперь как срезы AT и БТ.
Американские авторы получили еще два среза ТСК, известные как срезы АЦ и
БЦ. Хотя значение ТКЧ срезов велико B0·!10~6 °С~1), их отличают более
простая форма колебаний и улучшенные спектральные характеристики. В
настоящее время их иногда используют как датчики температуры.

)B 1937 г. С. Хаит и Г. Виллард (США) обнаружили НЧ срезы контурно-
сдвиговых колебаний (КСК) с малым значением ТКЧ (срезы ДТ и ЦТ), а
лозже С. Хаит обнаружил срезы ЕТ и ФТ. В послевоенное время А. Н. Ди·
яиджи (СССР) и Л. Сун (США) предложили различные модификации контур,
ных срезов в виде удлиненных пластин с определенными отношениями длины
к ширине, что позволило позже улучшить электрические характеристики и рас-
ширить диапазон частот.
Известна также большая группа так называемых двухловоротных срезов,
ориентации которых имеют обозначения yxbl/y/? (срезы У, ИТ, РТ, СТ, ТД
и др.). Некоторые из этих срезов следует рассматривать как модификации
соответствующих одноповоротных срезов AT и Б Т. Изыскания этих срезов
были предприняты с целью уменьшения температурной зависимости частоты.
Однако двухповоротные срезы долгое время не находили широкого
применения из-за сложности разделки сырья и ориентации заготовок, а также худших
спектральных характеристик.
Отечественные исследования сдвиговых колебаний стержней позволили
создать новые типы резонаторов с малым значением ТКЧ, известные под
родовыми обозначениями АП и БП.
В 60-х годах серьезные успехи были достигнуты в области теории
сдвиговых 'колебаний кристаллических пластин, позволившие объяснить многие
явления и существенно улучшить характеристики резонаторов. Следует отметить
вклад У. Мортли [11.1] и У. Шокли [11.2] в создание основ теории захвата
колебаний. Результаты этих исследований подробно изложены в работе Р. Хол-
.ланда и Е. Эрнисса [11.3].
Из всего -многообразия резонаторов наибольшее применение в настоящее
шремя нашли НЧ резонаторы ДТ, иногда ЦТ, используемые на частоты 200..,
... 1500 кГц, и AT и БТ на частоты выше 1 МГц. Резонаторы ЕТ и ФТ из-за
большого значения ТКЧ и других недостатков утратили свое значение и давно
не используются. Поэтому описания характеристик этих резонаторов
опускаются.
Особенности колебаний. Сдвиговые колебания по сравнению с ранее
рассмотренными НЧ видами отличаются существенно большей сложностью формы
л разнообразием мод. Разработки резонаторов СК потребовали
продолжительных и сложных теоретических и экспериментальных исследований, прежде чем
были достигнуты удовлетворительные результаты. В настоящее время многие
вопросы теории СК разработаны достаточно полно, что позволило
существенно улучшить многие характеристики резонаторов и использовать ее достиже-
лия при расчетах.
[Колебания сдвига ПЭ делят на две основные группы: контурно-сдвиговые
((КСК) и толщинно-сдвиговые (ТСК). В случае ПЭ в виде длинных пластин
КСК рассматривают как сдвиговые колебания по ширине. Пьезоэлементы КСК
лспользуют в нижней части диапазона частот A00 ... 2000 кГц), а ТСК1—??
1000 кГц и выше. Характерно разнообразие мод СК из-за наличия так
называемых ангармонических обертонов, что существенно отличает колебания
сдвига от других ранее рассмотренных видов. Наиболее простые формы СК
упрощенно изображены на рис. 1.6,6, в. Формы колебаний гармонических
обертонов сдвиговых колебаний по толщине или ширине схематично изображена
ла рис. 11.1.
Сложность формы и разнообразие мод СК определяют сложность спектра
¦их частот и наличие значительного числа близких по частоте побочных резо-
нансов. Побочные резонансы по своей природе определяются гармоническими
юбертонами основного рабочего колебания, ангармоническими обертонами;
Рис. 11.1. Схематичное (сильно
увеличенное) изображение деформаций
при возбуждении третьего
обертона тодщинно-сдвиговых колебаний.
Штриховыми линиями отделены три
полуволновые секции, колеблющиеся
в противоположных фазах
150

^ Ю в).
Рис. 11.2. Ангармонические колебания сдвига. Стрелками показано направление
смещений. При колебаниях второго и третьего порядков образуются секции*
(отделены штриховыми линиями), смещения в которых антипараллельны друг
другу. При колебаниях первого порядка смещения по в"сей поверхности
пластины параллельны
сдвиговыми колебаниями другой основной моды и ее гармоническими и
ангармоническими обертонами; колебаниями других видов, часто связанных с
колебаниями сдвига.
Частоты гармонических обертонов для тонких плоских пластин и длинных
прямоугольных стержней в целое число раз выше частоты основного
колебания. Если рабочим колебанием является гармонический обертон, то побочные
резонансы располагаются выше (обертоны) и ниже (унтертоны) рабочей
частоты. Интенсивно возбуждаются только гармонические обертоны нечетного-
порядка. Унтертоны обычно более интенсивны, чем обертоны.
Ангармонические обертоны (ангармоники) представляют моды сдвиговых
колебаний пластины, частоты которых определяются одним и тем же
волновым размером, например толщиной или шириной, но характеризуются более
сложным движением. Частоты ангармоник близки, а различие их частот
обусловлено различием порядка колебаний, который устанавливается в
направлении, .перпендикулярном волновому. На рис. 11.2 схематично изображены формы1
колебаний для ангармонических колебаний разных порядков. При колебаниях-
первого порядка все смещения на поверхности пластины происходят в одной и
той" же фазе (рис. 11.2,а). При ангармонических колебаниях смещения в
разных частях пластины происходят в противоположных фазах '(рис. 11.2,6, в).
Части поверхности пластины, в пределах которых смещения имеют
одинаковую фазу, называют секциями. Число секций определяет порядок ангармоник.
Частоты колебаний более высоких порядков будут несколько выше частот
низших порядков вследствие уменьшения отношения между кинетической и
потенциальной энергиями колебаний [11.4]. Моды колебаний, показанные на рис.
11 .йДв, называют изгибно-сдвиговыми, поскольку растянутым участкам однойг-
грани соответствуют сжатые участки противоположной ей грани, как при
изгибе.
Возможны ангармонические колебания, для которых форма колебаний
несколько иная. На рис. 11.3 схематично изображена деформация пластины для
колебаний второго порядка, напоминающая деформацию кручения, вследствие-
чего и моды колебаний такого рода называют крутильно-сдвиговыми. В
пластинах, совершающих контурные колебания, возникают либо изгибно-сдвиговые,
либо крутильно-сдвиговые обертоны. При ТСК возникают ангармонические
обертоны обоих видов.
а) Ю
Рис. 11.3. Характер деформаций ангармонических обертонов:
а — крутиль но-сдвигов ого типа; б — изгибно-сдвигового типа
до

Ввиду того, что частоты ангармоник мало отличаются от частоты рабочего
резонанса, ослабление их связано с большими трудностями.
Сдвиговые колебания другой моды отличаются тем, что у них деформации
происходят в другой плоскости, обычно перпендикулярной плоскости сдвига
рабочих колебаний. Например, у кварцевых пластин двухповоротных срезов
возбуждаются два ТСК разной частоты, смещения которых пернендикулярны
друг другу. Одно из колебаний является рабочим, колебание другой моды
побочное, достаточно интенсивное и близкое по частоте. Ослабление колебания
другой моды является трудной задачей.
Колебания других видов колебаний, например продольных, наблюдаются в
жварцевых пластинах двухповоротных срезов, у которых к двум ТСК
добавляется еще и толщинно-продольное колебание, уплотняющее спектр побочных
резонансов. У кварцевых пластин повернутых У-срезов спектр частот для ТСК,
учитывающий ангармоники, схематично выглядит так, как показано на
.рис. 11.4.
Сдвиговые колебания характеризуются неравномерностью распределения
-амплитуд механических деформаций и смещений. В средней части 113
амплитуды более интенсивны, чем по краям, и распределение амплитуд имеет ко-
локолообразную форму (см. рис. 1Л2). Подобный характер распределения
напряжений и смещений наблюдается у пластин, контурные размеры которых
много больше (в 20... 30 раз и более) размера, определяющего частоту. В
этих случаях амплитуды колебаний на краях ПЭ уменьшаются во много раз,
что позволяет осуществлять их крепление за края. При меньших
отношениях контурных размеров наблюдается периодическая неравномерность
«амплитуд колебаний (характерный вид которой показан на рис. 11.5). При
этом амплитуды колебаний на краях ПЭ оказываются достаточно
интенсивными и краевое крепление вносит заметное затухание.
Явление захвата колебаний. Пластина (или стержень), возбуждаемая
электродами, покрывающими большие грани пластины, т. е. равномерно
распределенными силами, тем не менее более интенсивно колеблется в средней части, чем
вблизи краев. Явление выражено сильнее у тонких пластин и длинных
стержней (с большим отношением длины к волновому размеру). Эта особенность
сдвиговых колебаний известна давно и использовалась практически при реше-
щии вопроса о креплении ПЭ.
Известно, что использование электродов, нанесенных только в средней
части пластины, усиливает явления локализации колебаний, ограничивая их
областью, расположенной под электродами. Отчетливо это явление проявляется
;при толщинно-сдвиговых колебаниях пластин с отношением длины к толщине
^олее 30 (см. рис. 1.12). Впервые теоретически это явление было изучено и
объяснено У. Мортли (Англия) еще в 40-х годах исходя из волновой природы
распространения упругих колебаний в плоскости пластины. Наблюдающуюся
локализацию ТСК в подэлектродной области и быстрое затухание за их
пределами удобно объяснить аналогией с электрическим волноводом.. На рис. 11.6
изображен неоднородный электрический волновод, имеющий утолщенный
участок сечения толщиной а и длиной /, с обеих сторон которого расположены
участки меньшего сечения ??. В среднем участке волновода возможно
распространение электромагнитной волны типа ТЕ на частотах выше частоты отсечки
соо— лс/а. Ниже этой частоты волны не возникают и не распространяются. Для
тонких участков волновода частота отсечки будет выше и равна ®oi — ncfau
Рис. 11.4. Схематичное "изображение спектра частот сдвиговых колебаний.
Цифрами обозначен порядок гармонических обертонов
У 152

Рис. 11.5. Распределение амплитуд
смещений при толщине-сдвиговых
колебаниях пластины (для малых
отношений размеров контура к
толщине)
Рис. 11.6. Неоднородный
электрический волновод как модель,
объясняющая явление захвата
механических колебаний
следовательно, на этих участках могут распространяться волны с частотами
только выше ???.
При возбуждении в утолщенной части волновода колебаний с частотой в
пределах от ?? до ?0? последние, распространяясь по длине, будут
отражаться от границ изменения сечения волновода, поскольку они не могут
распространяться по участкам меньшего сечения, так как их частоты ниже частоты
отсечки ?0?. Пьезоэлемент с локальными электродами представляет
механический неоднородный волновод, аналогичный описанному выше электрическому
волноводу, в котором электроды утолщают сечение последнего и создают
условия для отражения колебаний от краев электродов и локализации их в объеме
пьезоэлектрика, расположенного под электродами. Параметры электродов
(длина, толщина и масса) существенно определяют спектральную характеристику
резонатора. При определенной длине электрода на частоте, несколько большей
? о, могут возникнуть стоячие волны, определяющие резонанс на частоте ? ?.
Резонансные колебания могут возникать и на более высоких частотах, чем ??,
однако на частотах выше ??? стоячие волны возникать не будут, так как условия
захвата колебаний не выполняются (волны от краев электродов не отражаются
и возбуждаемые колебания распространяются за пределы подэлектронной
области). Уменьшая размеры электродов с тем, чтобы в них укладывалась
половина стоячей волны, и толщину электродов так, чтобы разность частот отсечки
??? и ?? была по возможности мала, можно создать условия для захвата
только одной частоты. Иными словами, явление захвата является эффективным
средством улучшения спектральных характеристик резонаторов.
Имеются ограничения по реализации эффективного захвата. На высоких
частотах ограничения обусловлены трудностями осуществления электродов
очень малой массы. Требуемые по условиям захвата колебания толщины
электродов оказываются настолько малы, что перестают выполнять свои функции
из-за малой проводимости или ее отсутствия.
На частотах ниже 4 МГц ограничения обусловлены необходимостью
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 формы. Как показали исследования [11.5], у ПЭ
линзообразной формы явление захвата колебаний обусловлено кривизной
сферического профиля ПЭ и порядком обертона возбуждаемого колебания. Ло-
153

реализация колебаний тем больше, чем меньше радиус сферы ПЭ и выше
порядок обертона. Как в случае плоских пластин недопустима большая разность
частот cooi и ?0 для обеспечения условий захвата колебаний, так и для
линзообразных ПЭ недопустима чрезмерная крутизна сферы. Линзообразная
форма позволяет уменьшить контурные размеры ПЭ и влияние крепления на
характеристики резонаторов.
[Понижение частоты при наложении электродов происходит не только из-за
влияния их массы, но и вследствие уменьшения жесткости пьезоэлектрика в
поделектродной области. Это влияние тем больше, чем больше значения пьезо-
модулей сдвига. У сильных пьезоэлектриков влияние «электроупругого»
понижения частоты оказывается заметно больше, чем «массового», что
определяет известные трудности реализации захвата колебаний.
Использование теории захвата колебаний позволило существенно улучшить
параметры резонаторов, ослабить их близкие побочные резонансы,
обусловленные ангармоническими обертонами, а также реализовать на одной пластине
несколько изолированных друг от друга или механически связанных между
собой резонаторов. Теория захвата колебаний стимулировала создание методов
расчета монолитных кварцевых фильтров.
Возбуждение колебаний. Сдвиговые колебания можно возбудить в
кварцевых пластинах многих ориентации, однако срезы с малым значением ТКЧ
относятся к семейству так называемых повернутых У-срезов. Число известных
срезов сдвиговых колебаний достигает 20. В У-срезах, повернутых вокруг оси
X, колебания сдвига возбуждаются компонентами поля, перпендикулярными
оси X. При этом деформации сдвига обусловлены пьезомодулями а'^ь и dr2%.
Рассмотрим возбуждение деформаций сдвига в ПЭ повернутого У-среза более
подробно.
На рис. 11.7 изображен ПЭ в виде параллелепипеда, одно из ребер которого
совпадает с направлением оси X кварца. Электрическое поле, перпендикулярное
оси X, возбуждает компоненты напряжений 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 льезозффект), так и в плоскости
перпендикулярных граней (поперечный пьезоэффект). При возбуждении ПЭ переменным
напряжением возникают два резонанса, обусловленных отражениями волн сдвига
от разных пар противоположных граней. При уменьшении размера у'
параллелепипед превращается в пластину, в которой электрическое поле Е'у
возбуждает два вида колебаний: контурные, при которых деформации сдвига
происходят в плоскости широких граней, а распространение упругих волн — в надрав-
Рис. 11.7. Схемы возбуждения сдвига в пьезоэлементе повернутого У-среза для
случаев продольного (а) и поперечного (б) пьезоэффекта
1§4

лении ширины (размера ?'), и толщинные, при которых деформации сдвига
возникают в плоскости узких граней, перпендикулярных ?\ а распространение
упругих колебаний (происходит в направлении размера у\ т. е. толщины ПЭ. В.
первом случае упругие волны отражаются от узких граней, во втором — от
широких.
Для возбуждения колебаний сдвига в пластинах обычно используют пару
электродов, нанесенных на их широкие грани. Для возбуждения ПЭ, имеющих
форму стержней, используют две пары электродов, расположенных на боковых
гранях. Смежные электроды попарно соединяют между собой. Для возбужде-
Рис. 11.8. Ориентации пьезоэлемен- Рис. 11.9. Ориентация двуяповорот-'
тов семейства одноповоротных ?- ного У-среза л. '¦¦-·¦
срезов · -
Таб
Условное об
в
справочнике
AT
БТ
ДТ
СЛ, ДТ
ЦТ
АП, БП
ДП
ИТ
РТ, ТС
ТД
сц, ев
лица 11.1.
означение
зарубежное
AT
ВТ
DT
SL, DT
СТ
АР, ЕР
—
?
RT
MSC, SC
SC, ТС, TTC
Виды срезов резонаторов сдвиговых колебаний
Ориентация
ухЦЗЬ0
yxl/—48° .
у ??/—52° \г\* .
То же *
ухцж :
ух1/—4Ь°
yxbl/l3°54'/35°
yxbl/19° 06735° -.
ухЫ/13°Ь?/—33°
ухЫ/23°25'/ЗЬ° ¦
Разновидности колебаний сдвига
По толщине, используются*
гармонические обертоны
То же
Контурно-сдвиговые
По ширине, моды более
высокого порядка
Контурно-сдвиговые
Связанные,
контурно-сдвиговые моды
Колебания по толщине
То же
.—»—
—»—
—»
Примечание. Углы среза указаны номинальные. В зависимости от
частоты и формы ПЭ реальные значения могут отличаться от номинального на·
1 ... 3°.
155^

Рис. 11.10. Формы пьезоэлементов сдвиговых колебаний:
слева — контурных, справа — толщинных
ния толщинных колебаний используют электроды уменьшенной площади
круглой или прямоугольной формы, расположенные в средней части широких граней.
Размеры и форма электродов разнообразны и определяются частотой и
требованиями к спектральным и другим (Электрическим характеристикам.
Срезы и пьезоэлементы. Число известных кварцевых срезов, в которых
возбуждаются колебания сдвига, превышает 20; из них практическое применение
нашли менее трети. Все эти срезы относятся к семейству повернутых У-срезов.
На рис. 11.8 схематично изображены ориентации семейства одноповоротных
У-срезов, а на рис. 11.9 показана ориентация пластины двухповоротного среза
yxbl/y/p. Известные срезы, нашедшие практическое применение, приведены в
табл. 11.1, где указаны их обозначения (угловое и родовое) и моды колебаний.
Пьезоэлементы КОК и ТСК имеют форму удлиненных прямоугольных,
квадратных и круглых пластин .или стержней квадратного и прямоугольного сечений.
Для улучшения различных характеристик ПЭ часто; придают более сложную
форму. Например, (пьезоэлементы КСК снабжают скосами или .придают- и'м
форму круговых сегментов, а ПЭ ТСК осуществляют в виде дисков с фасками или
плоско- и двояковыпуклых линз. На рис. 11.10 показаны формы наиболее
употребительных ПЭ, а также формы электродов.
Ввиду больших различий характеристик резонаторов сдвиговых колебании
в дальнейшем они рассматриваются по видам срезов, а группа резонаторов
двухповоротных срезов ТСК рассмотрена в одном разделе.
Литература к разделу 11
11.1. Morfley W. S. F. ?. Q.//Wireless World. — 1951.— Vol. X.N 57. — P.
399—403.
11.2. Shockley W., Curran D. R., Conneval D. J. Energy trapping and related
studies of multiple electrode filter crystals//Proc. 17-th ASFC—1963. —P. 88—
126.
11.3. Holland R., Eer Nisse E. Design of resonant piezoelectric devices.
Research Monograph N 56. The M. J. T. Press, Cambridge, Massachusetts. — London,
1969. — 258 p.
156

11.4. Стрэтт Дж. В. (Лорд Рэлей). Теория звука. Т. 1. — М. — Л.:
Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1940. — 258 с.
11.5. Багаев В. П. Расчет эквивалентной индуктивности
металлизированных кварцевых линз среза АТ//Электронная техника. Сер. IX. — 1966.—Вып.
3. —С. 18—28.
РАЗДЕЛ 12.
РЕЗОНАТОРЫ КОНТУРНО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
ДТ И ЦТ
12.1. Общие сведения
Резонаторы контурно-сдвиговых колебаний (КСК) известны давно [12.1,
12.2]. Из них наибольшее распространение получили резонаторы ДТ. В
последние годы усилиями многих исследователей, преимущественно советских, были
достигнуты ощутимые успехи как в разработке теории колебаний, так и в
области практической реализации, позволившие расширить диапазон частот
резонаторов ДТ до 1000 кГц, и выше, где они вытеснили другие типы резонаторов
контурно-сдвиговых колебаний (ЦТ, ЕТ, ФТ), и в известной мере резонаторы
AT, имеющие значительно большие габариты [12.3—12.13]. Резонаторы ЕТ и
ФТ уже давно не применяются и не выпускаются, в связи с чем их описание
опускается. Резонаторы ЦТ используют на частоты.700 ... 1000 кГц, если их
большое значение ТКЧ удовлетворяет заказчика.
Срезы и пьезоэлементы. Срезы с контурно-сдвиговыми колебаниями
относятся к семейству повернутых У-срезов (см. рис. 11.8). Плоскость среза ДТ
наклонена к оси ? под углом —52° и составляет с гранью большого ромбоэдра
угол около 14°. Обозначение среза yxl/—52° соответствует случаю, когда длина
ПЭ совпадает с направлением оси X, а обозначение среза yzb/—52°, — когда
длина ПЭ совпадает с направлением оси Z'. Преимущественно используют ПЭ
среза yxl/—52°.
У среза ЦТ плоскость среза наклонена к оси ? под углом +38°, т. е. почти
параллельна плоскости малого ромбоэдра.
Углы поворота относительно оси ? для различных срезов КСК могут
несколько отличаться от указанных выше в зависимости от требований к
положению точки нулевого значения ТКЧ, формы и отношений размеров ПЭ и
других факторов.
Ниже приводятся сведения о наиболее распространенных резонаторах ДТ и
особенностях резонаторов других срезов.
Первоначально ПЭ среза ДТ выполнялись в форме квадратных и
прямоугольных (с отношением ширины к длине 0,4), реже — круглых пластин. Было
обнаружено, что наиболее удовлетворительные характеристики резонаторов
(когда колебания имеют наибольшую активность, а ближайшие побочные ре-
зонансы существенно ослаблены) имеют место при определенных отношениях
ширины ПЭ к его длине. Это обусловлено тем, что моды КСК не существуют
самостоятельно, а связаны с четными гармониками колебаний изгиба в
плоскости длина — ширина. При отношении ширины к длине, равном 0,23, третья
мода колебаний контурного сдвига связана с четвертой гармоникой изгиба —
это ПЭ так называемого среза СЛ [12.3]; при отношении 0,17— четвертая мода
колебаний сдвига с шестой гармоникой изгиба; при отношении 0,14 — пятая
мода колебаний сдвига с восьмой гармоникой изгиба; при отношении
0,11—шестая мода колебаний сдвига с десятой гармоникой изгиба и т. д. [12.4].
Смещения при контурно-сдвиговых колебаниях происходят в направлении оси
X, а колебания сдвига распространяются в плоскости широких граней. Частота
колебаний определяется шириной ПЭ (см. рис. 1.10,0, где представлены
модели смещений при колебаниях первого порядка контурного сдвига). ,
157

При несовпадении частоты моды сдвига с частотой соответствующего
обертона изгиба, что происходит при отклонении от оптимальных отношений
ширины к длине, появляются дополнительные связи с ближайшей модой контурного
сдвига. При этом ухудшается спектральная характеристика резонатора,
увеличиваются сопротивление и индуктивность, возникают изменения сопротивления
в температурном интервале при ухудшении ТЧХ.
Необходимо отметить недостаток, присущий резонаторам с квадратными и
круглыми ПЭ, крепление которых осуществляют в геометрическом центре его
плоскости. Поскольку точки крепления совпадают с пучностями механических
напряжений, влияние крепления на параметры резонатора велики. Вследствие
этого, а также из-за неизбежных технологических отклонений в разметке и
креплении искажаются характеристики резонатора и увеличиваются разбросы
параметров: температуры экстремума ТЧХ и сопротивления. Изменение
сопротивления в температурном интервале резко возрастает. Особенно сильно
крепление сказывается на высоких частотах, когда размер узла крепления становится
соизмеримым с частотоопределяющим размером.
Меньшее влияние крепления на параметры резонаторов наблюдается при
использовании удлиненных прямоугольных ПЭ, у которых крепление можно
осуществлять в точках, расположенных вблизи краев, где механические
напряжения незначительны. Такие резонаторы характеризуются малыми разбросами
характеристик и параметров, постоянством сопротивления в интервале
температур, большей добротностью и меньшим старением.
В дальнейшем для резонаторов КСК применялись ПЭ более сложной
формы: со скошенными краями [12.7, 12.8] и сегментной формы [12.9—12.12].
Скосы по краям и особенно сегментная форма способствуют локализации
колебаний в центре ПЭ за счет явления захвата колебаний (рис. 11.5). Применение
скошенных и сегментных ПЭ позволяет отнести узлы крепления на их края в
область минимальных напряжений и смещений и максимально уменьшить
влияние системы крепления на параметры резонаторов.
В резонаторах ЦТ также используются ПЭ круглой, квадратной и
прямоугольной форм. Как и в случае ДТ, в последнем случае используются
определенные отношения ширины ПЭ к его длине, обеспечивающие максимальное
ослабление побочных резонансов, минимизацию сопротивления и индуктивности:
1,0; 0,4; 0,256; 0,19; 0,144; 0,127; 0,101 и т. д. Возможно использование
скошенных и сегментных ПЭ.
12.2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Частота колебаний контурного сдвига определяется
размером, в направлении которого распространяются колебания (т. е. шириной), а
значением частотного коэффициента
f=Kf/b,
где Kf — частотный коэффициент, кГц·мм: Ь — ширина ПЭ, мм; / —
частота, кГц.
Частотный коэффициент среза ДТ зависит от отношений контурных
размеров и формы ПЭ [12.9, 12.12, 12.14] (табл. 12.1). Обычно за нижнюю границу
диапазона частота принимают частоту 200 кГц, за верхнюю 1000 кГц. На низких
частотах ограничение обусловлено значительными габаритами ПЭ, на высоких —-
малостью их размеров. Пьезоэлементы со скошенными краями особенно
сегментной формы, позволяют возбуждать в них гармонические обертоны по
ширине ПЭ даже при обычных (не разделенных) электродах и таким образом
расширять диапазон их частот до 3 МГц. Но при этом сопротивление и
индуктивность на обертоне значительно (в 4... 5 раз) выше, чем на основной моде,
что затрудняет их применение в апериодических генераторах. При
соответствующем разделении электродов можно возбуждать как нечетные, так и четные
обертоны; при этом в несколько раз уменьшаются сопротивление и
индуктивность и возрастают на основной моде, что практически исключает возможность
возбуждения колебаний на основной моде.
158

Таблица 12.1. Параметры резонаторов ДТ и ЦТ
Порядок моды,
тип ПЭ
1
1
2
3
4
5
6
7
1
1
2
3
4
5
6
7
Пьезозле-
менты ДТ
Пьезоэле-
менты ЦТ
Форма ПЭ
Круглая
Квадратная
Прямоугольная
То же
•—»—
.—»—
—»—
Круглая
Квадратная
Прямоугольная
Прямоугольная
То же

Отношение
ширины ПЭ
к его
длине |
1,06
0,41
0,23
0,17
0,142
0,111
0,093
0,98
0,4
0,256
0,19
0,144
0,127
0,104
Диапазон частое,
кГц
200... 500
200... 300
200... 500
300... 600
400... 800
400... 800
400... 800
400... 800
350... 600
300... 500
300... 600
400... 700
500... 1000
500... 1000
500... 1000
500... 1000

Индуктивность, Гн
15 ...50
16 ...55
8 ...30
5 ... 18
4 ... 13 -
3 ... 11
2,5... 9 ·
2 ... 8
6 ... 20
7 25
3,5 ... 12
2 ... 8
1,7... 6
1,2... 4
1 ... 4
1 ... 4
Поскольку у среза ЦТ частотный коэффициент примерно в 1,5 раза выше,
чем у среза ДТ, размеры ПЭ среза ЦТ оказываются больше, что позволяет в
1,5 раза повысить верхнюю частоту их диапазона, В остальном соображения,
касающиеся среза ДТ, полностью могут быть распространены на пьезоэлементы
среза ЦТ.
Частотный спектр резонаторов ДТ весьма сложен, причем число и
интенсивность побочных резонансов зависят от отношений контурных размеров,
отношений контурных размеров к толщине, геометрической формы ПЭ, порядка
моды и обертона возбуждаемого колебания. У пьезоэлементов квадратной,
круглой и прямоугольной форм с отношением ширины к длине 0,4 спектр частот
относительно простой и побочные резонансы расположены далеко от рабочей
частоты: у квадратных и круглых отстоят на ±40% от рабочей частоты, у
прямоугольных—на 15... 20%. Резонаторы с длинными прямоугольными ПЭ имеют
более сложный спектр, и побочные резонансы расположены ближе, причем
промежуток между рабочим и побочным резонансами сокращается с уменьшением
отношения ширины к длине. Помимо этих резонансов, соответствующих
соседним модам контурного сдвига, амплитуда которых может достигать 0,1... 0,2
амплитуды рабочей моды, наблюдаются резонансы, обусловленные связью с
обертонами различных низкочастотных колебаний, прежде всего изгибных
колебаний по толщине, а также продольных и крутильных колебаний. Хотя их
интенсивность невелика и составляет всего 0,01 ...0,001 амплитуды рабочей моды,
при сближении частот низкочастотных колебаний других видов с рабочей
побочные резонансы резко возрастают и становятся очень опасными. Такое
взаимодействие наблюдается при изменении температуры и проявляется в виде
аномальных изменений частоты и сопротивления (провалы активности).
У сегментных ПЭ наблюдается интенсивный захват колебаний. При этом
побочные резонансы, связанные с возбуждением мод колебаний контурного
сдвига, практически не проявляются. Зато появляются ангармонические
резонансы, определяемые шириной ПЭ и радиусом кривизны сферического
профиля [12.10, 12.12, 12.14]. Поскольку крепление сегментных ПЭ отнесено на края,
в нем могут возбуждаться толщинно-сдвиговые колебания.
У скошенных ПЭ, занимающих промежуточное положение между
прямоугольными и сегментными ПЭ, могут наблюдаться смещения, характерные для
прямоугольных ПЭ. В этом случае спектр их частот подобен спектру частот
1159

прямоугольных ПЭ. При оптимизации отношений размеров и угла' скоса можна
у скошенных ПЭ обеспечить захват колебаний. В этом 'случае в их спектре
наиболее интенсивно выраженными резонансами являются ангармонические,
значительно ослабленные по амплитуде по сравнению с сегментными ПЭ,
Эффективной мерой ослабления ангармонических резонансов у скошенных
и сегментных ПЭ является применение электродного покрытия в пределах
активной области; точным расчетом размеров электродов можно заметно
ослабить один или несколько ангармонических резонансов.
Изложенные соображения о спектре частот могут быть распространены на
резонаторы ЦТ.
Зависимость частоты от температуры. Темпер атурно-частотные
характеристики резонаторов ДТ описываются уравнением параболы третьего порядка с
температурой точки перегиба при Тп=1\0 °С. В реальных эксплуатационных
интервалах температур с достаточной для практики точностью зависимость
частоты от температуры можно считать квадратичной. Коэффициент а2
квадратичной параболы принимает значения от —Ы0~8 для ТЧХ, точка экстремума 70
которых расположена в области высоких температур G0... 80°С), до —2,5*10~8
для ТЧХ с точкой Го при нормальной температуре. ТЧХ несимметрична: правая
ветвь несколько положе левой; однако это различие невелико и обычно не
принимается во внимание (см. рис. 12.1, кривая 1).
Температура Г0 зависит от угла среза и повышается с увеличением
последнего. Положение 7V зависит также от формы ПЭ, отношения его размеров,
расположения мест крепления и других факторов. Изменением угла среза
положение То можно изменять в широких пределах от отрицательных температур
до температур выше 100 °С. Изготовители могут гарантировать разброс
значений Т0 в пределах ±5°С.
Квадратичную зависимость частоты от температуры имеют и резонаторы
ЦТ. Однако коэффициент а2 у них порядка/E ... 7) · 10~8 °С~1 и заметно хуже
температурная стабильность частоты (см. рис. 12.1, кривая 2).
Эквивалентные параметры.
Индуктивность резонаторов ДТ зависит от моды колебаний контурного,
сдвига, геометрической формы ПЭ, порядка возбуждаемого обертона и
толщины.
Для ПЭ определенной формы и ориентации Li^Kls, где 5-—толщина ПЭ,
мм; Кь — коэффициент индуктивности, Гн/мм, зависящий от формы и размеров
Af/f,xiQ-e _ LjJh
Рис. 12 Л. Температурно-частотные
характеристики резонаторов
контурно-сдвиговых колебаний:
1 — ДТ; 2 — ЦТ
Рис. 12.2. Области возможных
значений индуктивности резонаторов:
/ — ДТ; 2 — ЦТ
Ч 160

Таблица 12.2. Параметры резонаторов ДТ с ПЭ сложных форм
Частота,
кГц
587
603
600
1000
1271
1808
2405
412
512
551,5
666
776
1048,6
Номер
обертона
1
1
1
1
3
3
3
Форма ПЭ
Сегмент

Прямоугольник
со скосами
Точка ну-
лево! о
значения
ткч, °с
25
31
13
50
34
28
50
30
16
25
' 73
Эквивалентные
параметры
L1; Гн
10,4
12,04
8,6
6,25
13,6
15,4
9,0
8,2
9,0
10,6
6,8
5,4
6,0
Ru Ом
60
70
50
55
100
220
300
108
250
265
200
350
500

Добротность
?,Х10б
0,63
0,65
0,65
0,70
1,10
0,79
0,45
0,22
0,115
0,15
0,14
0,17
0,1
электродов; L\ — индуктивность, Гн. В табл. 12.1, 12,2 и на рис. 12.2 приведены
значения Kl и индуктивности для резонаторов с колебаниями сдвига по
контуру и пределы изменения индуктивности таких резонаторов.
Изложенные соображения по зависимости индуктивности от моды
колебаний, геометрической формы ПЭ и толщины в полной мере могут быть отнесены
к резонаторам других срезов с колебаниями контурного сдвига. Индуктивность
резонаторов ЦТ в 2 ... 3 раза ниже, чем резонаторов ДТ той же частоты и моды
колебаний.
Сопротивление. В зависимости от расположения крепления и его
конструкции сопротивление может быть от нескольких десятков Ом до 1000 Ом. У
резонаторов с креплением в центре граней ПЭ сопротивление в несколько раз
возрастает с повышением температуры, скошенные и сегментные ПЭ с креплением
вблизи концов ПЭ имеют практически постоянное сопротивление в
температурном интервале.
Сопротивление резонаторов ЦТ в 2 ... 3 раза ниже, чем ДТ этой же частоты
и моды колебаний.
Добротность. Для герметичных резонаторов добротность составляет
E0 ...200)-103. У вакуумных резонаторов она выше в среднем в 2 ... 3 раза,
понижаясь по мере повышения частоты резонаторов. У резонаторов со
скошенными и особенно сегментными ПЭ она существенно выше и достигает E00...
... 100)-103 даже на частотах порядка 1 МГц.
Емкостный коэффициент. У резонаторов ДТ на частотах до 500 кГц
емкостный коэффициент имеет значение порядка 400, на более высоких
частотах ¦—500. У резонаторов ЦТ емкостный коэффициент примерно в 1,5 раза
меньше.
Уровень возбуждения. Предельно допустимая мощность рассеяния 1 мВт.
С увеличением тока частота резонатора понижается, следуя примерно
квадратичной зависимости от тока.
Токовые характеристики существенно различны у резонаторов с разной
формой ПЭ и типом крепления. Установлено, что резонаторы на высокие
частоты с узкими длинными ПЭ и креплением в центре граней более чувствительны
к уровню возбуждения. Нагрузки, близкие к предельным, нередко вызывают
необратимые изменения частоты, нерегулярность характера ее изменения в тем^
пературном интервале, увеличение и аномальное изменение сопротивления..-Ящч.
лее чувствительны к уровню возбуждения КР с сегментными ПЭ. /
6-45 161

Старение. Старение в значительной мере определяется конструктивными и
технологическими факторами. Для герметичных резонаторов в корпусах типа У
изготовители гарантируют изменение частоты ±75* Ю-6 за 12 лет. Частота
герметичных резонаторов со временем обычно понижается. Приведенная выше
относительно большая величина старения объясняется конструктивными
недостатками и невысоким уровнем технологии производства.
Для вакуумных резонаторов в корпусах типов С и Э можно гарантировать
•старение ±25-10~б за 12 лет. Эти данные относятся к резонаторам с ПЭ
круглой и квадратной форм. Резонаторы со скошенными и особенно сегментными
ПЭ с креплением вблизи концов ПЭ имеют существенно меньшие изменения
частоты— не более A ... 2)-10~6 за несколько лет. Отмечено [12.15], что из всех
низкочастотных типов резонаторов именно резонаторы ДТ имеют наименьшую
скорость старения.
12,3. Конструкции резонаторов
Корпуса. Резонаторы обычно выполняют герметичными в корпусах типов У
й Б и вакуумными в корпусах С и Э. Корпуса С и Б используют для
резонаторов на частоты 200 ... 300 кГц, корпуса Э и У — на частоты выше 300 кГц.
Для МЭА возможно использование корпусов ЧВ и других специальных
корпусов для микрорезонаторов. Иногда используют плоские герметичные корпуса от
микросхем.
Обычно резонаторы ДТ и ЦТ двухполюсные. Используя соответствующее
деление электродов, можно создать трех- и четырехполюсные резонаторы.
Крепление ПЭ. Пьезоэлементы обычно крепятся проволочными
держателями (струнами). Для крепления ПЭ квадратной и круглой форм используют два
держателя, припаянных в геометрическом центре широких граней. Для
крепления удлиненных прямоугольных ПЭ предпочтительнее крепление четырьмя
держателями в узловых точках вблизи концов ПЭ, поскольку крепление в центре
граней оказывает большее влияние на воспроизводимость частоты, экстремумы
ТЧХ, постоянство сопротивления в температурном интервале и другие
параметры резонаторов, чем крепление вблизи концов ПЭ. Кроме того, крепление
четырьмя держателями более прочно и устойчиво к механическим и другим
внешним воздействиям. Уменьшению зависимости параметров КР от крепления
способствует установка отражателей на проволочных держателях.
Устойчивость к температурным воздействиям. Изменение частоты после
температурных воздействий определяется преимущественно изменениями
упругих свойств паяных соединений в местах крепления проволочных держателей.
Обычным является изменение частоты порядка — A0 ... 20) · 10~6 для КР с ПЭ,
имеющими крепление в центре широких граней. Резонаторы со скошенными и
сегментными ПЭ имеют на порядок лучшую устойчивость частоты.
Механическая прочность и устойчивость. Резонаторы с креплением двумя
держателями в центре широких граней ПЭ отличаются низкой механической
прочностью и устойчивостью к механическим нагрузкам. Воздействие вибрации
10... I5g нередко вызывает у таких резонаторов необратимые изменения
частоты порядка 20-Ю-6. Обычно механические воздействия вызывают понижение
частоты.
Заметно большей механической прочностью и устойчивостью обладают
резонаторы с ПЭ прямоугольной формы и краевым креплением четырьмя держа-
телями.
На порядок лучшей механической прочностью и устойчивостью в части
воспроизводимости и постоянства параметров обладают резонаторы со
скошенными и особенно сегментными ПЭ.
12.4. Рекомендации по применению
;l Резонаторы ДТ рекомендуется использовать в генераторах, работающих в
широком интервале изменения температур, к стабильности частоты которых
предъявляются повышенные требования.
162

Резонаторы ЦТ более предпочтительны для использования в фильтрах из-
за меньшего значения емкостного коэффициента, а следовательно, более
широкого резонансного промежутка между частотами последовательного и
параллельного резонансов.
При использовании резонаторов контурного сдвига с ПЭ сложной формы
необходимо иметь в виду их большую чувствительность к уровню возбуждения.
Рекомендуется допустимую мощность рассеивания ограничивать значениями
0,1 ...0,2 мВт.
Сведения о производстве. Резонаторы ДТ и ЦТ достаточно хорошо
изучены, и опыт их производства на частоты до 750 кГц имеют многие предприятия.
Меньшее распространение пока нашли резонаторы со скошенными и
сегментными ПЭ. Выпускаются вакуумные резонаторы в корпусах типа Э и
герметичные в корпусах типа ЧБ.
12.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Перспективы улучшения конструкций и технических характеристик
резонаторов контурного сдвига связаны в первую очередь с широким использованием
групповой технологии, методов фотолитографии и травления для
формообразования интегральных цельнокристаллических резонаторов с рамочными или
иными держателями, более подробно описанными в разд. 19, а также в работе
[12.13]. Это позволит расширить диапазон частот, перекрываемых резонаторами
ДТ, до 2 МГц, а ЦТ — до 3 МГц. Если учесть возможность возбуждения
таких резонаторов на обертонах, то диапазон частот, перекрываемый
резонаторами ДТ, можно расширить до 5 МГц, а ЦТ — до 8 МГц. Осуществление
краевого крепления ПЭ позволит минимизировать влияние системы крепления на
параметры КР, резко повысить их механическую прочность и устойчивость,
Литература к разделу 12
12.1. Willard G., Hight S. A simplified circuit for frequency substandarts
employing a new type of low-frequency zero-temperature coefficient quartz crys-
tal//PIRE. — 1937. — Vol. 25. — N. 5. — P. 549—563.
12.2. Atwood A. Data relating piezoelectric quartz//RCA communication. —
1938. —N. 3. —P. 18—44.
12.3. Пат. 3072806 США. Quartz piezoelectric element/L. Sogn.
12.4. Дикиджи А. Н., Рясик 3. В. Новые модификации пьезоэлемента
среза ДТ и возможности их использования в диапазоне частот 400 — 700 кГц//
Электронная техника. Сер. 9.— 1967. — Вып. 3. — С. 3—15.
12.5. Самойлов В. С. Низкочастотные моды контурных колебаний
кварцевых пластин//Электронная техника. Сер, 9.— 1969. — Вып. 3. — С. 3—12.
12.6. Черных Г. Г., Горбадей Я. А. К вопросу о контурных колебаниях
кварцевых резонаторов//Электронная техника. Сер. 9 — 1970. — Вып. 2. —
С. 9—22.
12.7. А. с. 467449 СССР. Пьезоэлектрический элемент/В. Л. Шкуратник,
Ю. М. Друккер, В. С. Самойлов. — Опубл. 1975, Бюл. № 14.
12.8. Друккер Ю. М., Шкуратник В. Л., Самойлов В. С. Характеристики
резонаторов среза ДТ с оконтуренными пьезоэлементами//Электронная техника.
Сер. 6.« 1975. —Вып. 1.—С. 16—23.
12.9. А. с. 313285 СССР. Пьезоэлектрический элемент/А. Н. Дикиджи,
Л. Ш. Дикиджи, Л. П. Кузнецова, Г. Г. Перельман.— Опубл. 1971, Бюл. № 26е
12.10. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Резонаторы среза ДТ с пьезоэле^
ментами сегментной формы//Электронная техника. Сер. 10.— 1973. — Вып. 2.-^
С. 22—26.
12.11. Kagawa J., Meada H., Nakazawa M. Finite element approach to
frequency-temperature characteristic predication of rotated quartz crystal plate re*
sonators//IEEE Trans. — 1981. —Vol. SU-28, N 4. — P. 257—264.
12.12. Adachi Т., Tsuzuki Y., Takeuchi C. Investigation of spurios modes of
convex DT-cut quartz crystal resonators//Proc. 35-th' ASFC—1981. —P. 149—
156.
6*
№

12.13. Самойлов В. С, Друккер Ю. М., Дмитриев В. В. Новый класс
низкочастотных резонаторов и фильтров//Электронна я техника. Сер. 5. — 1985. —
Вып. 3 F0). —С. 63—65.
2.14. Дикиджи А. Н. Вывод расчетных формул для определения разме^
ров и эквивалентных параметров ПЭ сегментной формы//Электронная техника.
Сер. 10.—1973.™ Вып. 2. — С. 27—36.
12.15. Гербер Е., Сайке Р. Кварцевые резонаторы и генераторы —
современный уровень техники//ТИИЭР. — 1966. — Т. 54. — № 2. — С. 5—19.
РАЗДЕЛ 13.
РЕЗОНАТОРЫ КОСОГО СДВИГА АП И БП
13.1· Общие сведения
Резонаторы с родовыми обозначениями АП и БП появились в 60-х годах в
результате отечественных исследований с целью улучшения характеристик
кварцевых резонаторов на частоты 400 ... 1000 кГц — отрезка диапазона частот, для
которого в то время отсутствовали резонаторы с характеристиками,
удовлетворяющими требованиям РЭА. Основой для исследования послужили колебания
сдвига кварцевых стержней повернутых У-ерезов прямоугольного, почти
квадратного, сечения. Было установлено, что для таких стержней могут быть
найдены срезы и такие отношения геометрических размеров, при сочетании
которых значение ТКЧ колебаний сдвига мало, а колебания достаточно активны и
свободны от близких свободных резонансов. В стержнях указанной ориентации
возбуждаются два основных колебания сдвига, распространяющихся во взаим-
но перпендикулярных направлениях и различающихся значениями частотных
коэффициентов.
В резонаторах АП используются колебания с низким значением частотного
коэффициента, а в резонаторах БП — с высоким. Небольшие размеры, высокая
надежность и хорошие электрические параметры определили их практическое
применение преимущественно в аппаратуре ответственного назначения. Их
производство освоено некоторыми предприятиями, а опыт производства и
эксплуатации насчитывает больше двадцати лет.
Резонаторы АП и БП патентно чисты и защищены авторскими
свидетельствами на изобретения и патентами в нескольких странах [13.1—13.7], а также
описаны в литературе [13.8, 13-9].
13.2. Особенности колебаний
В отличие от других резонаторов сдвиговых колебаний с ПЭ в виде
пластин в резонаторах АП и БП используются ПЭ, имеющие форму стержней поч-
ти квадратного сечения. Форма колебаний таких ПЭ более сложна, и колебания
их следует рассматривать как трехмерные. Пьезоэлементы вырезаны из
кристалла так, что их длина совпадает с направлением оси X кварца, а боковые грани
наклонены к осям ? и ? (рис. 13.1). Электрическое поле, перпендикулярное
длине ПЭ и, следовательно, оси X кварца, не возбуждает каких-либо других видов
деформаций, кроме сдвига, ни пьезоэлектрически, ни вследствие упругих связей.
Поле возбуждает в ПЭ компоненты сдвига в плоскостях боковых граней, и
результирующая деформация сдвига происходит в плоскости, наклонной к
боковым граням ПЭ. Такую деформацию называют косым сдвигом, а колебания —
колебаниями косого сдвига.
Компоненты сдвига упруго связаны между собой, и влияние этой связи
учитывается при расчете электрических характеристик резонаторов. При
возбуждении ПЭ наблюдаются по крайней мере два резонанса, частоты одного из
которых определяются преимущественно шириной, а другого — толщиной ПЭ.
В ...первом случае частота собственных колебаний сдвига обусловлена
отражением упругих волн от узких граней, а во втором — отражением от широких гра-
ш

Рис. 13.1. Ориентация пьезоэлемен-
тов АП и Б ? относительно осей
кварца ?
. о'
X
вей ПЭ. Исследование формы колебаний сдвига стержневых ПЭ показало, что
узлы смещений расположены вдоль средних линий противоположных боковых
граней. На другой паре граней при этом наблюдается ряд поперечных узловых
линий, расположенных симметрично и на равных расстояниях друг от друга.
Расстояние между этими поперечными линиями находится в почти постоянном
отношении к частотному размеру, например к ширине ПЭ. Число узловых линий
определяет порядок моды колебаний. Частотные коэффициенты таких стержней
мало зависят от угла среза (угла наклона боковых граней к осям У или ?
кварца) и составляют приблизительно 1680 и 2550 кГц-мм. Резонаторы, в которых
используются низкочастотные колебания с частотным коэффициентом 1680
кГц-мм, получили обозначение АП, резонаторы, в которых используются
высокочастотные колебания с частотным коэффициентом 2550 кГц-мм,—обозначение
БП. Расстояние между поперечными узловыми линиями для низкочастотных
колебаний находится в постоянном отношении к частотному размеру, равном
1,61. Для высокочастотных колебаний это отношение несколько меньше
(около 1,4).
Практическое применение нашли резонаторы АП. Поскольку в резонаторах
могут применяться ПЭ разных срезов, родовое обозначение может включать
цифровой индекс, указывающий угол среза, например АП450. Длина ПЭ, не
являясь частотным размером, тем не менее не должна быть произвольной. Она
должна быть в одном из определенных отношений к ширине или толщине ПЭ.
Имеется ряд оптимальных отношений ширины к длине, для которых активность
колебаний максимальна, а близкие побочные резонансы наиболее ослаблены.
Эти оптимальные отношения для АП-пьезоэлементов могут быть рассчитаны пс
формуле
b/t= 1/1,61(^+1,6),
где Ь и I — длина и ширина ПЭ соответственно; ? — целое число, определяющее
порядок ангармонической моды сдвиговых колебаний. В пьезоэлементах АП
кроме колебаний основной моды возбуждаются ангармонические колебания
разных порядков, определяющие в основном близкие по частоте побочные
резонансы. При оптимальных отношениях ширины к длине эти моды сильно ослаблены
и достаточно 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 резонансоз, оказывается шире.
В пьезоэлементах АП, кроме того, интенсивно возбуждаются нечетные
гармонические обертоны. Эффективность их возбуждения можно повысить
соответствующим секционированием электродов на широких гранях, а также возбудить
и четные обертоны. Практически эти возможности, позволяющие в несколько
раз расширить диапазон частот, использованы еще мало.
Возбуждение колебаний в стержневом 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 электродов, расположенных
на всех четырех боковых гранях. Чтобы деформации сдвига, обусловленные
разными компонентами поля, складывались, необходимо соответствующее
соединение пар электродов. Соединение электродов осуществляют через боковые ребра
так, что образуются два угловых электрода (см. рис. 13.1). При этом штрихо-
165

вая линия, соединяющая ребра и замыкающая смежные электроды, должна
быть примерно параллельна оси У кварца. Угловые электроды позволяют
существенно уменьшить сопротивление и индуктивность резонаторов.
Срезы и пьезоэлементы. Для резонаторов АП и БП используется
преимущественно срез yxl/—45°. Угол среза — 45° является номинальным и может из
меняться в пределах нескольких градусов.
В производстве используются преимущественно ПЭ с углом среза —45°,
характеристики которых наиболее подробно изучены.
В зависимости от угла среза отношение толщины ПЭ к его ширине,
имеющих форму стержней прямоугольного сечения, может быть в пределах 0,5...!.
Частота колебаний пьезоэлемента АП определяется шириной, а БП — толщиной
ПЭ. В отличие от ПЭ сдвиговых колебаний, имеющих форму пластин,
изменение ТКЧ достигается изменением отношения размеров, а не угла среза.
Поэтому отношение толщины ПЭ к его ширине имеет определенное значение,
обусловленное требованиями к ТЧХ. В условиях производства регулирование ТЧХ и
положение точки нулевого значения ТКЧ посредством изменения поперечных
размеров ПЭ имеет определенные преимущества.
Позже [13.8] были исследованы срезы с несколько большими, чем —45°,,
углами, позволившие получить ТЧХ з виде кубических парабол.
Для резонаторов АП и БП используют один и тот же угол среза ? = —45°.
Резонаторы АП и БП незначительно различаются отношениями их поперечных
размеров, при которых температурная нестабильность частоты (ТНЧ)
минимальна для одного и того же интервала температур. Поскольку резонаторы АП
имеют меньшее значение ТНЧ, чем резонаторы БП, последние не нашли
практического применения и менее изучены. Поэтому дальнейший текст содержит
подробные сведения о резонаторах АП. Сведения о резонаторах БП помещены в
конце раздела и носят общий характер. Однако резонаторы БП могут быть
использованы на частотах выше 1 МГц в устройствах, для которых ТНЧ не
имеет большого значения, например в тактовых микрогенераторах.
13.3. Параметры резонаторов АП
Диапазон частот. Исходя из значения частотного коэффициента,
приблизительно равного 1680 кГц·мм, и приемлемых размеров ПЭ, диапазон частот
резонаторов АП определяется граничными частотами 400 и 1200 кГц. На частоте
400 кГц наибольший размер поперечника ПЭ составляет около 4,2 мм, а на
частоте 1200 кГц ¦<— около 1,4 мм.
Верхняя граница диапазона несколько условна и определена исходя из
опыта производства; она может быть повышена до 1500... 1700 кГц, что
подтвердили исследования, проведенные с целью создания микрорезонаторов.
Использование обертонов позволяет расширить диапазон до 3 МГц.
Спектр частот. Частотный спектр резонаторов АП похож на спектр
известных резонаторов сдвиговых колебаний и характеризуется наличием
относительно близких по частоте побочных резонансов, обусловленных ангармоническими
модами колебаний сдвига разных порядков. Обычно для правильно
выполненных отношений размеров ПЭ эти побочные резонансы значительно ослаблены
(примерно на 30 дБ). У относительно коротких ПЭ с отношением ширины к
длине 0,228 побочные резонансы ослаблены более чем на 40 дБ и отстоят
дальше от рабочей частоты, чем у более длинных ПЭ. Это следует учитывать при
заказе резонаторов, предназначенных для кварцевых фильтров или
управляемых генераторов. Кроме указанных побочных резонансов всегда присутствует
относительно интенсивный резонанс, обусловленный высокочастотным
колебанием сдвига по толщине. Частота этого резонанса выше рабочей частоты з
1,6 ... 1,8 раза, и его ослабление составляет 6 ... 8 дБ. Наконец, наблюдаются
побочные резонансы, обусловленные гармоническими обертонами колебаний
сдвига по ширине и толщине. Ближайшие частоты этих резонансов примерно
втрое больше частоты основных колебаний.
Зависимость частоты от температуры. У резонаторов АП
частотно-температурная характеристика имеет вид почти квадратичной параболы, и для
практических расчетов можно использовать зависимость D.5). Короткие ПЭ (b/l=*
166

Рис. 13.2. Типичная ТЧХ
резонатора АП45
-¦=0,161 ... 0,228) имеют меньшие значения коэффициента а2 — около A,6'... 2) X
Х10_8ОС_2, для более длинных (&// = 0,Ш ... 0,065) он больше и достигает
B,2 ... 2,5) -Ю-8 °С~2. Расчетное значение квадратичного коэффициента
принимают равным 2,2· 10~8 °С~2.
На рис. 13.2 представлена типичная ТЧХ резонатора Л П. Правая ветвь
кривой немного положе левой, что в некоторых случаях следует учитывать. Тем-
пературная кривая похожа по форме и крутизне на кривую резонатора ДТ.
Положение точки нулевого значения ТКЧ можно просто изменять в широких
.пределах, например от отрицательных температур до 100 °С, изменением в
небольших пределах отношения толщины ПЭ к его ширине. Разбросы точки
нулевого значения ТКЧ невелики и находятся обычно в пределах ±5°С.
Изменения частоты в интервале температур — 60... 100 °С составляют
A40... 160)-Ю-6, а з интервале температур —10...+60°С B4 ... 45) · 10~6.
Эквивалентные параметры и активность.
Сопротивление. Вакуумные резонаторы АП характеризуются малыми
сопротивлениями, не превышающими 200 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. 13.3 приведены зависимости индуктивности от частоты
для разных отношений размеров ПЭ.
Низкие значения сопротивления и индуктивности определяют высокую
активность резонатор ев АП. Сии легко возбуждаются и устойчиво работают в
кварцевых генераторах.
Добротность. Вакуумные резонаторы характеризуются высокой добротное
тью, достигающей A...2)·106 на частотах до 800 кГц и A ... 2) · 10? на более
высоких частотах. У герметичных резонаторов добротность ниже, но
герметичные резонаторы АП не выпускаются. На частотах 500... 1000 кГц
резонаторы АП используются как бескорпусные в гибридных ПЭУ. В среднем
добротность вакуумных резонаторов составляет 0,5-106 и мало зависит от
температуры.
Рис. 13.3. Зависимости
индуктивности резонаторов АП от
частоты для различных
отношений ширины ПЭ к его
длине
167

Таблица 13.1. Электрические параметры резонаторов АП45
Частота, кГц
(отношение 6/0
400...500
@,065...0,228)
600...700
@,049...0,092)
800...900
@,049...0,081)
900...1000
@,065...0,228)
1000...1200
@,065...0,228)

Сопротивление, Ом
6...60
8...50
9...45
25...100
40...200

Индуктивность, Гн
4...17
2...4
2...3
2...7
2...7

Параллельная
емкость, ? ?
6...14
7...И
6...9
3...7
3...5
Добротность
Q,X103
600...2000
450...1500
400...1200
200...400
100...200
Значения эквивалентных электрических параметров и добротности
вакуумных резонаторов АП на разные частоты и с различными отношениями ширины
к длине ПЭ приводятся в табл. 13.1.
Емкостный коэффициент. Отношение емкостей С0 и Ci для резонаторов АП
составляет 350... 1000. Большие значения емкостного коэффициента имеют
резонаторы с относительно короткими ПЭ.
Уровень возбуждения. Высокие значения добротности ограничивают
допустимую мощность рассеяния в пределах 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 АП характеризуются малым старением. Испытания
партий серийных вакуумных резонаторов показали, что в условиях хранения
за 1000 сут наибольшее изменение частоты не превышало±10~6, а среднее
оказалось равным ±0,5· 10~6. При длительном хранении частота резонаторов
обычно повышается. Изготовители гарантируют изменение частоты за время
хранения и эксплуатации 10 ... 12 лет не более ±5·10~?.
13*4. Конструкции резонаторов
Корпуса. Резонаторы выпускают вакуумными в корпусах типа Э с
каркасными кварцедержателями или в бескаркасном варианте. Резонаторы на частоты
400 ... 500 кГц выпускают также в корпусах типа С. В зависимости от частоты
и размеров ПЭ используют корпуса разных типоразмеров: Э37, Э42, Э47, Э52
и С64. На частоты выше 800 кГц выпускают вакуумные микрорезонаторы в
металлических корпусах типа ЧВ. Резонаторы АП изготовляют также в
бескорпусном варианте для использования в интегральных и гибридных
пьезоэлектрических устройствах.
Крепление пьезоэлементов. Пьезоэлементы крепятся посредством четырех
проволочных держателей (струн), припаянных вдоль средней линии широких
граней. Рекомендуемое расстояние мест крепления от концов ПЭ составляет
0,65 его ширины. Существует ряд точек вдоль средней линии, в которых
наблюдаются минимумы затухания, вносимого креплением, однако крепление в
точках вблизи краев ПЭ обеспечивает наименьшее затухание и минимум
влияния на другие параметры.
Для устранения разбросов параметров, обусловленных влиянием крепления,
на держателях обычно устанавливают отражатели в виде небольших шайб.
Держатели обычно прямые в виде коротких струн, что обеспечивает
достаточно большую жесткость системы крепления ПЭ. В последнее время в связи с
микроминиатюризацией чаще используется осевое крепление ПЭ посредством
двух проволочных держателей, что позволяет существенно уменьшить размеры.
Механическая прочность и устойчивость. Небольшая масса ПЭ и их крепле-
168

¦пие посредством четырех коротких струн определяют большую жесткость
механической системы крепления, высокую прочность и сравнительно высокую
частоту ее собственных колебаний.
Резонаторы с каркасным держателем удовлетворяют жестким требованиям
по механической прочности, а бескаркасные — более жестким требованиям.
Резонаторы устойчивы к воздействиям одиночных и многократных ударов и
вибраций; при этом изменения частоты не превышают 10_6.
Основными конструктивными преимуществами резонаторов АП являются:
небольшие размеры ПЭ на частотах выше 600 кГц и выгодная с точки зрения
миниатюризации форхма в виде короткого стержня небольшого сечения:
расположение мест крепления вблизи концов ПЭ, что позволяет создать
уравновешенное, достаточно прочное и жесткое крепление; места крепления ПЭ
расположены в области колебаний, где механические напряжения и смещения
незначительны, что способствует малому влиянию элементов крепления на частоту и
затухание. Поэтому резонаторы имеют малое старение и устойчивы к разного рода
механическим воздействиям.
13.5. Рекомендации по применению
Резонаторы могут быть использованы как в генераторах, так и в фильтрах,
¦особенно предназначенных для работы в тяжелых условиях эксплуатации.
В диапазоне частот 500 ...1200 кГц резонаторы АП почти по всем
параметрам имеют лучшие показатели, чем резонаторы других типов.
Сведения о производстве. Резонаторы АП освоены в опытном'производстве,
и предприятия выпускают их на частоты 400... 1000 кГц.
Как показала практика производства, характеристики и параметры
резонаторов хорошо воспроизводятся, их разбросы невелики и оказываются меньше,
чем у резонаторов других типов. Предприятия охотно выполняют заказы на
резонаторы АП: это объясняется тем, что ориентация и форма ПЭ такая же,
как у резонаторов крутильных колебаний (ВП). Все заготовки ПЭ
изготовляется с одним и тем же углом среза, что существенно облегчает и упрощает
производство.
13.6. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Для резонаторов, рабочая температура которых не ниже +10°С, можно
достичь большей температурной стабильности, используя ПЭ с углом среза
¦¦¦—46 и —47°. Температурная нестабильность при этом может не превышать
10· Ю- в интервале температур 10... 100 °С. Резонаторы с ПЭ, имеющими
угол среза ? =—50° и определенные отношения размеров, обладают очень
пологой ТЧХ в интервале температур 70... 170 °С, представленной на рис. 13.4. В
указанном интервале температур изменение частоты может быть порядка
A ... 2) · 10_6. Такие 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 частоты порядка 10~6 при изменении внешней
температуры от —60 до 100 °С.
Рис. 13.4. Зависимости
частоты от температуры резон а то-
???? ?? с углами среза
. —47° (/.) и —50° B)
169

Таблица 13.2. Параметры резонаторов АП50 (срез ух1/—50°)
Частота, кГц
402 А
402,5

Сопротивление, Ом
7,4
11

Индуктивность, Гц
6,6
6,6
Добротность
<?,ХЮ3
2200
1600
Со/С,
500
520
Примечание. Размеры ПЭ: длина 50,4 мм, ширина 4,17 мм, толщина
2,2 мм.
— +
Рис. 13.5 Форма ПЭ, одна боковая Рис. 13.6. Форма электродов для
грань которого имеет цилиндричес- возбуждения второго обертона в ре-
кий или сферический профиль зонаторах АП2
В табл. 13.2 приведены значения параметров резонаторов АП50.
Малые размеры ПЭ типа АП открывают широкие возможности для
миниатюризации резонаторов. Электрические характеристики микрорезонаторов на
частоты 800 ... 1200 кГц в металлических корпусах не уступают характеристикам?
резонаторов на эти же частоты в корпусах типа Э.
Для микрорезонаторов перспективны ПЭ с осевым креплением,
позволяющим значительно уменьшить поперечные размеры корпуса. Для бескорпусных,
резонаторов перспективны ПЭ сложной формы — стержни переменного сечения
(сегментные), у которых одна боковая грань не плоскость, а криволинейная?
цилиндрическая или сферическая поверхность, что позволяет уменьшать
влияние крепления на параметры резонатора. На рис, 13.5 показана форма таких
ПЭ. Образцы резонаторов с сегментными ПЭ характеризуются более высокой/
добротностью и более чистым спектром.
Существенный шаг вперед в вопросе миниатюризации резонаторов АП w
расширения диапазона их частот до 3000 кГц можно получить при
использовании ПЭ, возбуждаемых на обертонах. На рис. 13.6 изображена эффективная?
форма электродов для возбуждения второго обертона колебаний по ширине.
Резонаторы с такими ПЭ имеют родовое обозначение АП2, при этом индекс «2»
указывает на то, что рабочей частотой является частота второго обертона
[13.9].
13.7. Резонаторы БП
В пьезоэлементах той же ориентации yxl/—45° возбуждаются
высокочастотные колебания сдвига с частотным коэффициентом около 2550 кГц-мм.
Исследования показали, что при соответствующих отношениях толщины ПЭ к его-
ширине, близких к 0,9, зависимость частоты от температуры уменьшается и*
ТКЧ для определенной температуры оказывается равным нулю. Температурно-
частотная характеристика имеет вид квадратичной параболы с коэффициентом
а2&4' Ю-8 °С~2. На рис. 13.7 приведена типичная ТЧХ резонатора БП45.
Резонаторы БП, как и резонаторы АП, характеризуются высокой
добротностью и низким сопротивлением. Однако почти вдвое большие значения ТКЧ и
170

-30_-20 ~W 0/0 20 30 Ц} 50 60 70 Tt°C
Рис. 137. Типичная °
ТЧХ резонатора БП45 50
WO
af/c *!ff6
емкостного коэффициента ограничивают их использование, широкого
практического применения они не получили. Диапазон частот у резонаторов БП выше,
чем у резонаторов АП, и составляет примерно 600... 2000 кГц, что является их
важным преимуществом.
Значения некоторых параметров резонаторов БП следующие: диапазон
частот 600 ...2000 кГц, добротность B00 ... 2000) -103, емкостный коэффициент
700... 1000, индуктивность 2 ... 20 Гн, сопротивление 20 ... 200 Ом, квадратичный
коэффициент а2 левой ветки—B ... 3) · 10"8, правой — D ... 5) · 10~8 °С~2. Тем не
менее резонаторы БП легче выполнять на более высокие частоты A000 ...2000
кГц), так как размеры ПЭ из-за более высокого значения частотного
коэффициента B550 кГм-мм) получаются большими, чем у ПЭ резонаторов АП, что
уменьшает влияние крепления на добротность и другие параметры резонаторов.
При определенном сочетании угла среза и отношений поперечных размеров
ТЧХ могут быть улучшены и получены сходными с ТЧХ резонаторов ЖТ. При
этом может быть получено очень малое изменение частоты в широком
интервале изменения температуры.
Литература к разделу 13
13.1. А. с. 337907 СССР. Пьезокварцевый резонатор/В. Г. Андросова,
Ц. Г. Поздняков.— Опубл. 1972, Бюл. № 15.
13.2. А. с!,390655 СССР. Пьезоэлемент/В. Г. Андросова, П. Г. Поздняков,
A. М. Смуров. — Опубл. 1973, Бюл. № 30.
13.3. А. с. 311375 СССР. Пьезокварцевый резонатор/В. Г. Андросова,
П.. Г. Поздняков. —Опубл. 1971, Бюл. № 24.
13.4. А. с. 907771 СССР. Кварцевый резонатор/В. Г. Андросова, П. Г.
Поздняков, В. Н. Христофоров. — Опубл. 1982, Бюл. № 7.
13.5. Пат. 2029186 Франция. Resonateur a quartz crystal/ П. Г. Поздняков,
B. Г. Андросова.
Г3.6, Пат. 1247217,. Великобритания. Piezoelectric quartz crystal unit/
П. Г. Позднякова, В. Г. Андросова.
13.7. Пат. 3588554 США. Piezoelectric vibrator/?. Г. Поздняков, В. Г.
Андросова.
13.8. Андросова В. Г., Поздняков П. Г. Кварцевые резонаторы сдвиговых
колебаний со стержневыми пьезоэлементами/Доклады Академии наук СССР. —
1973. — Т. 212. — № 2. — С. 142.
13.9. В. Г. Андросова, П. Г. Поздняков, В. И. Бирюков. О зависимости
частоты колебаний сдвига кварцевых стержней от температуры/Доклады
Академии наук СССР. — 1974. — Т. 219. — № 1. — С. 88 — 90.
РАЗДЕЛ 14.
РЕЗОРАТОРМ ТОЛЩИННО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАШЙ AT
14.1. Общие сведения
Резонаторы AT считаются основным и наиболее важным типом кварцевых
резонаторов, так как они охватывают широкую часть радиотехнического
диапазона частот и по сравнению с другими типами имеют наибольшую стабиль-
171

ность частоты и большой резонансный промежуток. Это определило их широкое
распространение — около 80% всех выпускаемых резонаторов (без учета
резонаторов для электронных часов) составляют резонаторы AT. Они известны с
1934 г., и большая часть экспериментальных и теоретических исследований по
кварцевым резонаторам касается резонаторов AT.
Первые резонаторы имели ПЭ в виде прямоугольных пластин, которые
помещались между двумя электродами с зазором. Пластина могла свободно
перемещаться в зазоре, какого-либо устройства для ее фиксации не было, а
стенки корпуса ограничивали ее боковые перемещения. Усовершенствованием
резонаторов с зазором явилась 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 усовершенствование было*
сделано Т. М. Михайловым, предложившим резонатор с металлизированными
пластинами и оригинальным зажимным креплением. Эти резонаторы широко
использовались в нашей стране, по качеству заметно превосходили зарубежные
резонаторы с зазором; иногда применяются и в настоящее время. Позже-
Р. Бехман предложил резонаторы с круглыми линзами и их зажимным
креплением за края. В США Ф. Лэк, Ф. Сайке и другие, исследуя причины
нерегулярных изменений частоты и возникновения близких побочных резонансов,
установили, что эти явления обусловлены связью толщинно-сдвиговых колебаний'
с обертонами изгибных и контурно-сдвиговых колебаний. Эти исследования
позволили рассчитать контурные размеры ПЭ с тем, чтобы устранить
нежелательные влияния связи.
Исследования резонаторов AT осуществлялись многими авторами, наиболее-
обстоятельные были осуществлены Р. Бехманом и изложены в его работах
[14.1—14.5]. Им разработаны методы расчета резонаторов AT для фильтров
с большим ослаблением побочных резонансов. Работы А Уорнера и П. Г, Сма-
гина явились основополагающими по созданию прецизионных резонаторов AT
[14.6; б, 7]. За последние годы существенные успехи достигнуты в разработке-
теоретических методов анализа колебаний кварцевых пластин [14.7—14.10].
Характеристики улучшены также благодаря достижениям в конструировании ш
технологии. Основные конструктивные улучшения — герметизация и вакуумиро-
вание корпусов. В СССР малогабаритные вакуумные и герметичные
резонаторы были разработаны и внедрены в производство в середине 50-х годов [14.11].
Новейшие достижения техники постоянно используются в кварцевом
производстве, что позволило создать миниатюрные резонаторы [14.12—14.19], расширить-
диапазон частот до 300 МГц [14.14] и улучшить другие характеристики
резонаторов AT.
Особенности колебаний. Колебания пластин AT существенно зависят от
отношения размеров контура к толщине; для отношений менее 25 края пластины
достаточно интенсивно колеблются и влияют на толщинные колебания. Это
влияние проявляется как взаимодействие толщинных колебаний с обертонами"
изгибных и контурных колебаний, частоты которых определяются размерами::
контура. Нежелательные взаимодействия этих колебаний уменьшают выбором
размеров контура пластины, при которых частоты обертонов удалены от
частоты толщинных колебаний [14.21, 14.22]. Эффективным средством ослабления
связей с обертонами низкочастотных колебаний является придание ПЭ плоско-
или двояковыпуклого профиля. При этом усиливается захват
толщинно-сдвиговых колебаний. При отношениях контурного размера к толщине более 25
можно ограничиться выполнением сферических фасок при сохранении плоскостности-
в центральной части ПЭ. При отношении контурных размеров к толщине более
65 порядок изгибных и сдвиговых контурных мод очень высок и практически
не влияет на колебания сдвига по толщине. При этом наблюдается захват
колебаний и существенную роль начинают играть соотношения размеров ПЭ и-
электродов.
Проблема осуществления резонаторов с большим ослаблением побочных
резонансов (больше 40 дБ) потребовала длительных и сложных исследований.
Впервые условия ослабления побочных резонансов были сформулированы:
Р. Бехманом и известны как критерий Бехмана. Согласно Р. Бехману краяо
электродов должны быть достаточно удалены от краев пластины: 6/d3^3, где*
172

dd — наибольший размер электрода. Кроме того, отношение размера d3 к
толщине s не должно превышать числа Б («числа Бехмана»), равного 18 для
колебания первого, 10 и 7,5 — для колебаний третьего и пятого порядков
соответственно. Разработанная позже теория захвата колебаний подтвердила
справедливость критерия Бехмана и позволила рассчитать оптимальные толщины
электродов, позволяющие достичь наибольшего ослабления побочных резо-
нансов.
Срез и пьезоэлементы. Срез AT образуется путем поворота пластины У-сре-
за вокруг оси X так, что угол между плоскостью среза и осью ? равен 35°.
Плоскость среза AT почти параллельна 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 требования к ТКЧ резонаторов, порядком
используемых колебаний, формой и отношениями размеров ПЭ и другими
факторами. Угол среза должен быть выдержан с точностью Г.
Пьезоэлементы имеют форму прямоугольных или круглых пластин с
плоскопараллельным или выпуклым профилем. К качеству обработки ПЭ
предъявляются очень высокие требования: чистота обработки соответствует 13—14
классам, т. е. тонкая шлифовка или полировка. Плоскопараллельность не хуже
0,5 мкм для резонаторов, используемых в КГ, и порядка 0,1 мкм для
резонаторов, используемых в кварцевых фильтрах.
На частотах выше 5 А1Гц особенности колебаний позволяют осуществлять
их жесткое крепление за края, не оказывающее заметного влияния на затухания
и другие электрические параметры. Это определяет простоту монтажа и неболь^
шие размеры резонаторов. Пластины имеют круглые или прямоугольные
электроды. Последние размещены в средней части пластины и имеют отводы и кон*
тактные площадки по краям, к которым крепятся держатели посредством пай'
ки, сварки или приклейки проводящим клеем. По мере повышения частоты
размеры ПЭ уменьшаются.
На частотах ниже 5 МГц при относительно малых отношениях b/s
ослабление влияния контурных и изгибных мод на основное колебание обеспечивают
сошлифовкой фасок (для плоских круглых ПЭ) или скосов (для плоских
прямоугольных ПЭ). При этом необходимо очень точно выполнять определенные
отношения между размерами ПЭ с тем, чтобы избежать нежелательных
взаимодействий с другими видами колебаний. На практике это условие далеко не
всегда выполняется изготовителями, и такие резонаторы имеют низкую добротность,
нерегулярные изменения сопротивления и частоты в темпер ату pHoiw интервале.
Плоские ПЭ круглой и прямоугольной форм позволяют реализовать
резонаторы с низкими значениями индуктивности и емкостного коэффициента и
большим ослаблением побочных (ангармонических) резонансов [14.15, 14.16].
Большее ослабление влияния контурных и изгибных мод на основное
колебание достигается при использовании ПЭ в виде двояко- или плосковыпуклых
линз круглой, реже — прямоугольной форм. В линзовых ПЭ более активно
проявляется захват колебаний, но он обусловлен не размерами электродов, а
радиусом кривизны сферического профиля и порядком возбуждаемого обертона
[14.17, 14.18]. Амплитуда колебаний по мере удаления от центра ПЭ
уменьшается по экспоненциальному закону. При диаметре ПЭ, большем
определенного критического, колебания краев линзы уменьшаются так, что практически не
влияют на затухание и другие параметры резонатора. Поэтому именно на
линзовых ПЭ получают резонаторы с добротностью, близкой к предельной,
обусловливаемой внутренними потерями в пьезокварце.
На самых низких частотах распространение получили ПЭ в виде плоских,
прямоугольных пластин со скосами на торцах, образующими ребра, которыми
ПЭ зажимается в кварцедержателе. Такие резонаторы при точно рассчитанных
и выполненных отношениях размеров ПЭ имеют отличные параметры. На
частотах ниже 1,5 МГц прямоугольные ПЭ без скосов крепятся проволочными
держателями с отражателями. На частотах выше 1,5 МГц используются
удлиненные прямоугольные ПЭ со скосами, что позволяет использовать крепление без
отражателей.
За последние годы на частотах 4 ... 20 МГц успешно используются так
называемые полосковые ПЭ, имеющие очень малые контурные размеры с отноше-
173

нием ширины ПЭ к его толщине порядка 3 ... 4 и длины к толщине порядка
10... 20. В этом случае контурные размеры ПЗ выбираются так, чтобы частота
колебаний толщинной моды совпадала с четной гармоникой изгибной моды. В
низкочастотной части диапазона ПЭ выполняют, с фасками или цилиндрическим
профилем, и высокочастотной части диапазона их выполняют плоскими, чаще
всего по групповой технологии. Суть ее заключается в том, что из
обработанной до окончательной толщины пластины достаточно больших размеров
методами фотолитографии вытравливаются десятки миниатюрных ПЭ, строго
рассчитанных размеров по контуру. Тщательно подобранные геометрические
размеры ПЭ и такой точный способ, как травление, позволяют изготовлять
миниатюрные резонаторы с вполне удовлетворительными техническими
характеристиками.
Для изготовления резонаторов на очень высокие частоты применяют ПЭ,
выполненные в виде мембран. С этой целью у ПЭ, обработанных
механическими способами до толщины 50... 60 мкм, маскируется периферийная часть, а
открытая центральная травится во фторсодержащих реактивах [14.19] или
методами плазмохимического травления до заданной толщины вплоть до
нескольких микрометров [14.20]. Конечно, реализация ПЭ такой толщины методами
механической обработки практически нереальна. Мембранные ПЭ изготовляют
на частоты 50.., 100 МГц на основной моде колебаний. Они обладают
достаточной механической прочностью благодаря наличию относительно толстого обода.
Для прецизионных резонаторов предложено применять так называемые
КуАС- и БВА-конструкции [14.21, 14.22]. Особенностью этих конструкций
является отделение центральной колеблющейся части ПЭ от периферии сквозными
кольцевыми прорезями, формируемыми ультразвуком. Центральная часть ПЭ
соединяется с внешним кольцом узкими перемычками, расположенными в точках
нулевых значений частотно-силовой характеристики. Для монтажа ПЭ
используют внешнее кольцо, благодаря чему удается исключить влияние системы
крепления на стабильность частоты и другие характеристики резонатора (см. разд.
17 ,и 19). И, наконец, для отделения центральной колеблющейся части ПЭ от
используемой для крепления периферийной части предлагается использовать
ПЭ, у которых в центральной части ПЭ формируется линзообразный двояко-
или плосковьшуклый профиль, отделенный от края концентрическими
канавками.
На рис. 14.1 представлены возможные варианты ПЭ резонаторов AT с тол-
щинно-сдвиговыми колебаниями,
Классификация. Резонаторы AT различаются: по назначению—для
генераторов и фильтров; по типам корпусо© — в металлических корпусах (Б, М, ММ,
? и др.), в корпусах от микросхем и транзисторов, в керамических корпусах
Рис. 14.1. Формы пьезоэлементов среза AT:
?— круглый плоский ПЭ; б — круглый ПЭ с фасками; ? — круглый линзообразный ПЭ
(плоско-и двояковыпуклый); г — прямоугольный с фасками; д — прямоугольный
линзообразный; е — полосковый ПЭ; ж — пьезоэлемент БВА и КуАС; з — каиавочной подвесной;
и, к—мембранные ПЭ
174

и стеклянных корпусах типов Д, С, Э ,и К; по конструкции крепления — с
зажимным, паяным, клеевым креплением, креплением методом гальванического
заращивания; по числу .полюсов — двух, трех- и четырехполюсные; по числу
ПЭ или числу частот в корпусе.
14.2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Частоты резонаторов AT охватывают диапазон от
400 кГц до 300 '[МГц. На частотах до 1 МГц резонаторы AT ,в настоящее
время используются редко из-за больших (размеров и трудностей .производства.
Диапазон частот до 30... 40 МГц перекрывается резонаторами с ПЭ,
'совершающими колебания сдвига по толщине первого порядка. На более высоких
частотах используются нечетные колебания высших порядков (обертоны).
Обычно колебания третьего порядка используются до 100 МГц, колебания
пятого порядка — до ТОО ... 150 МГц, седьмого порядка — до 250 МГц,
девятого порядка — до 300 МГц. 'Применение мембранных ПЭ, формируемых плаз-
мохимическим или ионным травлением, а также глубоким химическим
травлением, позволяет исполнять резонаторы AT на частоты 80 ... 100 МГц,
используя колебания первого порядка, а до 500 МГц и выше — нечетные колебания
обертонов.
Спектр частот. У резонаторов AT спектр частот сложен и помимо
интенсивных побочных резонансов, обусловленных гармоническими обертонами и
достаточно удаленных по частоте от рабочего, содержит также близкие по
частоте побочные резон аисы, являющиеся ангармоническими обертонами. На
частотах много ниже рабочей наблюдаются побочные резонансы^ иногда
достаточно (интенсивные, представляющие моды контурных колебаний. Кроме того,
могут наблюдаться побочные резонансы, обусловленные связью с другими
видами колебаний, в основном изгибных. Если для обычных генераторных
резонаторов ослабление близких побочных резонансов считают достаточным в
6 дБ, то для резонаторов фильтров требуется намного 'большее ослабление
(порядка 30... 60 дБ).
Частоты и интенсивность побочных резонансов существенно зависят от
формы и отношений размеров ПЭ и электродов, а на частотах выше 5 МГц
и от толщины, точнее массы, электродов. Для резонаторов фильтров
требования к расположению и ослаблению побочных резонансов в некоторых
случаях оказываются трудновьшолнимыми, и изготовителям могут потребоваться
длительные исследования, прежде чем заданные требования могут быть
реализованы. При заказе или согласовании требований на резонаторы
потребителям следует уточнить типовую спектральную характеристику. Спектральные
характеристики резонаторов с одинаковыми ПЭ могут существенно различаться
вследствие чрезмерно широких допусков на размеры и толщины электродов.
Задача ослабления побочных резонансов существенно усложняется, если
потребитель выставляет требования достижения возможно низких значений
индуктивности.
Частоты побочных резонансов, обусловленных ангармоническими
обертонами, расположены выше основной частоты. На рис. 2.8 приведена типичная
спектральная характеристика резонатора для области частот вблизи основного
резонанса.
Зависимость частоты от температуры. Резонаторы AT имеют характерную
ТЧХ, отличную от ТЧХ большинства других типов, и описываются кубической
зависимостью частоты от температуры [см. D.3)]. Эта ТЧХ существенно зависит
от угла среза ПЭ, небольшие изменения которого (порядка Г) заметно
изменяют ее. На рис. 14.2 изображено семейство ТЧХ для разных значений угла
среза, наглядно показывающее это влияние. Поскольку значение
квадратичного коэффициента для среза AT мало, можно использовать формулу D.5).
Кривые характеризуются двумя экстремумами (точками нулевого значения
ТКЧ) ? ?? и Г02 и точкой перегиба Гц, расположенной около 25° С. Точки Го ? и
Г02 расположены симметрично относительно точки Гп. Линейный коэффициент
?? зависит от угла среза и может быть как положительным, так и
отрицательным, определяя тем самым наклон ТЧХ и расположение точек Т01 и Гог.
175

Значения T0li Т02 и Тл связаны
следующими соотношениями со степенными
коэффициентами:
'Интервал температур, для которого
частота не выходят за пределы
максимального и минимального значений,
соответствующих точкам ??? и То2,
вдвое больше интервала между этими
точками. Поэтому для заданного
интервала температур оптимальной будет
такая ТЧХ, у которой отклонения
частоты на краях температурного
интервала по абсолютным значениям
равнялись отклонениям частоты в
экстремальных точках (рис. 14.3). Для
широкого интервала температур
(например, —50...-f9Q°C) относительное
изменение частоты составляет примерно
10-10—в. При относительно небольшом
интервале температур (например,
Рис. 14.2. Семейство ТЧХ резонато- —Ю ... +60°С) может быть достигнуто
ров AT для различных углов среза очень небольшое изменение частоты.
Требование на изменение частоты в
таком интервале, равное ±E ... 10) · Ю-6, в настоящее время является обычным,
и некоторые изготовители гарантируют не более ±3,5· 10~6.
Точку ???, расположенную в области низких температур, в качестве
рабочей (Используют редко, точку Т02 в области высоких температур часто
используют как рабочую при термостатировании резонаторов. Положение точки Т02
можно изменять от 40 до 80°С и более, изменяя угол среза. У характеристик
с низ'корасположенными точками ??2 крутизна меньше, чем у ТЧХ с высоким
их расположением, поэтому не рекомендуется применять температуру термо-
статирования выше 70°С, так как при этом заметно возрастает крутизна ТЧХ.
При одних и тех же разбросах угла среза разбросы положения точки Тог
увеличиваются для более низких значений Т02 или, иными словами, обеспечить
меньшие разбросы То2 легче для более высоких ее значений.
Эквивалентные параметры.
Сопротивление резонаторов существенно зависит от формы,
геометрических размеров ПЭ и электродов, порядка возбуждаемого обертона. У
резонаторов с линзообразными ПЭ сопротивление увеличивается с уменьшением
Рис. 14.3. Оптимальная
ТЧХ резонатора AT для
интервала температур
между ?? я Т2
176

Рис. 14.4. Области возможных со-
тротивлений резонаторов AT на
различных частотах:
1 — для резонаторов АТь 2 — для
резонаторов возбуждаемых на обертонах
Рис. 14.6. Области значений емкости
резонаторов AT в диапазоне частот
(для колебаний первого порядка)
Рис. 14.5. Области значений индук-
тивностей резонаторов AT в
диапазоне частот
радиуса кривизны сферы. У плоских
ПЭ сопротивление увеличивается с
уменьшением размера электродов.
Резонаторы с правильно
рассчитанными и выполненными размерами
ПЭ и электродов характеризуются
низкими сопротивлениями от единиц
до сотен ом. Резонаторы,
возбуждаемые на обертонах, имеют более высокие сопротивления, чем на основной
'частоте. С увеличением порядка обертонов сопротивление возрастает.
Сопротивление практически не зависит от температуры. Наблюдающиеся
явления резкого изменения сопротивления («провалы активности») в узком
интервале температур свидетельствуют о неточности расчета ПЭ или
производственных отклонениях. На рис. 14.4 показаны области возможных
сопротивлений в зависимости от частоты.
Индуктивность. Резонаторы AT имеют более низкие значения
индуктивности, чем высокочастотные резонаторы других типов, что является
существенным их достоинством. Так же, как и сопротивление, индуктивность
резонаторов зависит от формы, геометрических размеров ПЭ и электродов.
Индуктивность резонаторов с ПЭ в форме линз выше, чем резонаторов с плоакими
ПЭ. Чем круче сферический профиль ПЭ, тем выше индуктивность резонатора.
У плоских ПЭ индуктивность возрастает с уменьшением площади электродов.
С повышением частоты индуктивность уменьшается. При возбуждении на
обертонах индуктивности резонаторов не зависят от порядка обертона. На рис. 14.5
показана область возможных значений индуктивностей.
Емкость. Значения емкости С\ резонатора при возбуждении n-?? порядка
колебаний связаны со значением емкости для основной частоты зависимостью
€n = Ci/n2, где Ci и С ? — значения емкости соответственно при колебаниях
первого и л-го порядков. Значения Сх для резонаторов AT приведены на
рис. 14.6.
177

Добротность герметичных резонаторов широкого применения обычно
составляет E0... 300) · ??3, у вакуумных она примерно в 1,5 ...2 раза выше
У резонаторов повышенной стабильности и прецизионных добротность
достигает A ... 5) -ТО6. С повышением частоты добротность резонатора уменьшается.
У прецизионных резонаторов, добротность которых определяется
¦преимущественно потерями на внутреннее трение, добротность достигает почти
предельных значений, определяемых из выражения Qf= 1,3»!О13. Следует учесть, что по
мере уменьшения частоты начинают все более сказываться потери других
видов, преимущественно потери в системе крепления.
Емкостный коэффициент. Резонаторы с плоскими ПЭ на первом порядке:
колебаний имеют значения емкостного коэффициента 220 ... 350. У резонаторов-
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 резонаторов, в которых используются колебания третьего
порядка, он примерно равен 2500, а для резонаторов с колебаниями пятого
порядка 7000 и т. д.
Уровень возбуждения. Для резонаторов, используемых в КГ с
нестабильностью порядка Ю-5... 10~6, предельный уровень возбуждения считают равным
1 ... 2 мВт. Порядок добротности резонаторов при этом принимается в среднем
около 105. Для резонаторов, добротность которых выше этого значения,
уровень возбуждения следует устанавливать меньше 1 мВт.
С увеличением уровня возбуждения частота резонаторов AT в
большинстве случаев повышается, что отличает их от резонаторов других типов.
Токовые характеристики имеют квадратичную форму, а их крутизна существенно"
зависит от формы ПЭ, отношения его размеров, а также вида и порядка
возбуждаемого колебания. Резонаторы с ПЭ в форме линз имеют большую
крутизну токовых характеристик, чем резонаторы с плоскими ПЭ. Резонаторы,
возбуждаемые на обертонах, имеют большую крутизну токовых характеристик,
возрастающую по мере повышения номера обертона. На высоких обертонах
иногда наблюдается изменение знака токового коэффициента частоты. На рис.
14.7 приведены типичные токовые характеристики резонатора с ПЭ в виде
линзы при возбуждении колебаний разных порядков.
Увеличение уровня возбуждения сверх
допустимого может приводить к
искажению ТЧХ и ТХС (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 ±35·1?~6 для герметичных и
±20-10~6 для вакуумных резонаторов.
Эти нормы следует считать ¦ заниженными,
особенно для вакуумных резонаторов.
Резонаторы, изготовляемые по частным
ТУ, обычно обеспечивают меньшее
старение: =?= E ... 20) · 10—6 для герметичных и
± B ... 10)-10~е для вакуумных
резонаторов. За первый год хранения и
эксплуатации норму на старение часто принимают·
равной половине всей нормы.
При согласовании технических
требований на резонаторы нормы на старение
следует устанавливать на основании
результатов испытаний на старение резона-
Рис. 14.7. Токовые
характеристики резонатора AT с пьезоэлемен-
том в форме линзы:
/-???; 2-АТз; 3 — АТ7
178

торов аналогичных типов, а при отсутствии таких данных или при разработке
резонаторов новых типов потребителю следует заранее оговорить
необходимость 'проведения таких испытаний на этапе изготовления опытных образцов
и установочных партий.
14.3. Конструкции резонаторов
Корпуса. Для резонаторов AT используется большинство существующих
типов корпусов. В некоторых случаях тип корпуса однозначно определяет и
тип крепления. Некоторые типы корпусов позволяют использовать разные
варианты крепления.
Наибольшее распространение имеют резонаторы в герметичных
металлических корпусах типов Б, М, ММ. Корпуса типа Б считаются устаревшими и в
настоящее время используются в ограниченном диапазоне частот (ниже
3 МГц). Широкое распространение нашли резонаторы в корпусах типа Т.
Корпуса герметичных резонаторов заполняют сухим газом (обычно азотом),
что позволяет избежать искажения ТЧХ и возрастания сопротивления из-за
выпадения на поверхности ПЭ влаги при достижении точки росы. Это
повышает и временную стабильность частоты. Большое влияние на обеспечение
стабильности частоты оказывает выбор способа герметизации КР- При
герметизации пайкой возможно попадание флюса, припоя и других посторонних
частиц в объем резонатора, что повышает нестабильность частоты во времени.
Несомненным преимуществом обладает герметизация сваркой. Помимо
упомянутых герметичных корпусов находят применение корпуса типа МД. В них
монтируют трехполюсные и двойные резонаторы с двумя ПЭ на разные
частоты, пьезомеханические фильтровые системы. Используются также корпуса
от микросхем и транзисторов.
Вакуумные резонаторы выпускают в стеклянных корпуса,х типов Э и С,
последние преимущественно на частоты до 5 МГц. На частоты выше 5 МГц
используются корпуса с наименьшими размерами по высоте. На частотах ниже
1 МГц используются корпуса типа С и редко Д. Широкое применение находят
резонаторы в плоских стеклянных корпусах типа К с заваркой токами высокой
частоты. Перспективны резонаторы в металлических корпусах типов Б, М, ММ
и Т, вакуум-плотно герметизируемые холодной, импульсной резистивной и ла-
Рис. 14.8. Конструкция кварцедержа-
теля для прямоугольных пьезоэле-
ментов среза AT с припаянными
струнами, снабженными
отражателями
Рис. 14.9. Конструкция кварцедержа-
теля для удлиненных
прямоугольных пьезоэлементов со скосами на
торцах и проволочным креплением
179

зергой сваркой, а также в керамичеоких корпусах. Разрабатываются плоские
стеклянные корпуса, вакуум-плотно герметизируемые легкоплавким стеклом.
Трех- и четырехполюсные резонаторы, сдвоенные резонаторы, пьегомехани-
ческие фильтровые системы выпускаются в стеклянных корпусах типов С и Э.
Кварцедержатели. Резонаторы с зажимными кварцедержателями
используются чз частотах 0,4 ... 3 МГц. Зажимное крепление вносит небольшое
затухание при использовании ПЭ небольших размеров с малым отношением
контурных размеров к толщине. Резонаторы с зажимным креплением выпускаются
в корпусах типов С и Д. Зажимные кварцедержатели выпускаются только
для РЭА на радиолампах.
Каркасные кварцедержатели используются для крепления прямоугольных
ПЭ на частотах 0,4 ... 2,5 МГц. Проволочные держатели иногда снабжаются
отражателями (рис. 14.8). Вариант кварцедержателя для прямоугольных
удлиненных пластин со скосами и проволочным креплением показан на рис. 14.9.
Частота,
МГц
0,5
1
3
5
10
20
30
40 ?
30
50
80
50
100
125
125
150
175
150
200
230
Таблица 14.1. Типичные параметры резонаторов AT
Тип корпуса
Д, КБ, Б
Д, КБ, Б
С, КБ, Б
С, КБ, КА,
Б, ?
Э, ??, ?
Э, ??, ?,
ММ
Э, ??, ?,
ММ
Э, ??, ?,
ММ
Э, ??, ?,
ММ
Э; ??, ?,
ММ
э, м, мм,
КА
э, и, мм,·
КА
э, м, мм, ?
КА
э, м, мм,
КА
э, м, мм,
КА
э, м, мм,
КА
Э, М, ММ,
КА
Э, М, ММ,
КА
Э, М, ММ,
КА
Э, М, ММ,
КА
Форма ПЭ
Линза
То же
—»—
Плоский
! ПЭ с
фаской
1 Плоский ПЭ
То же
¦—»—
—»—
—»—
—»—
-»-
—»—
Плоский ПЭ
То же
— » —
—»—
—»—
—»—
—»—
»

Возбуждаемая мода
~~7~
1
1
1
1
1
1
1
з
3
3
5
5
5
7
7
7
9
9
9
Эквивалентные
параметры
Ru Ом
500
200
50
20
5
5
5
5
25
25
25
40
¦50
6Э
70
60
60
90
100
ПО
U, Гн
10
3
0,2
0,05
0,015
0,003
0,002
0,001
0,013
0,006
0,004
0,015
0,006
0,004
0,006
0,0345
0,004
0,ОС8
0,006
0,005

На частотах выше 5 МГц используется проволочное или более жесткое
ленточное крепление (см. рис. 5.24).
Совокупности этих различий определяет основные электрические и
эксплуатационные характеристики и диапазон частот каждого конструктивного
варианта. Параметры резонаторов, выпускаемых отечественными предприятиями,
приведены в табл. 14.1.
Крепление пьезоэлементов к проволочным держателям отечественные
предприятия осуществляют, как правило, пайкой мягким припоем. Крепление ПЭ
резонаторов в корпусах типов КА и КБ осуществляется вжиганием
серебряной пасты. В последнее время все более широкое применение получает способ
крепления проводящим клеем. Клеевое крепление -создает меньшее
механическое напряжение в местах крепления, способствует ослаблению побочных резоеан-
сов, -наблюдается большее постоянство параметров в интервале температур.
Еще лучшими свойствами обладает «гальваническое» крепление, реализуемое
заращиванием места контакта отвода ПЭ с проволочным держателем.
Достоинства способа — высокая механическая прочность контакта и практическое
отсутствие механических напряжений в узлах крепления — благотворно
сказываются на стабильности частоты КР во времени и при воздействии
дестабилизирующих факторов. Кроме того, такое крепление позволяет повысить
температуру отжига при вакуумировании резонаторов, что также обеспечивает
повышение стабильности КР во времени.
Прочность и устойчивость к механическим воздействиям. Относительно
небольшая масса ПЭ и жесткое их закрепление определяют более высокую
прочность резонаторов AT по сравнению с НЧ-резонаторами. Меньшей
прочностью обладают резонаторы AT на частотах ниже 4 МГц с массивными ПЭ.
Для резонаторов на частоты выше 5 МГц изготовители обычно гарантируют
сохранение работоспособности помеле воздействия одиночных ударов до 1000^
и вибраций до 30^ на частотах до 5000 Гц. При этом изменение частоты
обычно не превышает ±5· Ю-6. Конструкции резонаторов, в которых крепление
ПЭ осуществляется в точках нулевых значений ЧСХ, позволяет улучшить этот
параметр на порядок и более.
14.4. Рекомендации по применению
Резонаторы для работы в КГ. Основные требования, предъявляемые к
таким резонаторам: высокая точность настройки частоты, жесткие требования*
к стабильности частоты в интервале рабочих температур, во времени и при
механических воздействиях, низкие значения сопротивления и индуктивности.
Требования .по ослаблению побочных резонаторов относительно нежесткие;
обычно достаточным считается ослабление их до уровня 6 дБ по· сравнению»
с рабочим. При использовании обертонных КР нередко возникает
необходимость введения в схему автогенератора избирательных элементов,
исключающих возможность возбуждения на основной частоте или обертонах 'более
низкого порядка. Параметры их указаны в табл. 14.2.
Резонаторы для управляемых КГ отличаются тем, что у них должен быть:
достаточно широкий резонансный промежуток между частотами
последовательного и параллельного резонансов, который определяет область перестройки
частоты. Резонансный промежуток уменьшается пропорционально квадрату
порядка возбуждаемого обертона. Поэтому для управляемых КГ используют,.
как правило, резонаторы на основной моде, реже — на третьем обертоне.
У резонаторов для ТСКГ обязательным условием должно быть наличие
экстремума в ТЧХ в относительно узком в пределах ± C ... 5) °С интервале
температур, лежащем на несколько градусов выше предельной положительной
температуры ТСКГ. Резонаторы для прецизионных ТСКГ должны иметь
высокую добротность и обладать рядом специфических свойств, сведения о
которых изложены в разд. 17.
Резонаторы для термокомпенсированных КГ. Требования к таким КР по-
долговременной стабильности, стабильности частоты при климатических и
механических воздействиях приближаются к требованиям к КР Для опорных
генераторов. В то же время эти резонаторы должны удовлетворять ряду до-
181

Таблица 14.2. Параметры вакуумных резонаторов AT
Недостатки
Достоинства
Назначение
Воз-
буж-
дае-
мая
мода
Крепление
Форма ПЭ
Тип
корпуса
Диапазон
частот,
МГц
Большие
габариты, выпуск
ограничен
То же
Устаревший тип
резонаторов
широкого
применения
Большие размеры,
выпуск ограничен
Узкий
резонансный промежуток
при возбуждении
на высоких
порядках обертонов
Освоены в
ограниченном объеме
небольшим
числом предприятий
То же
Высокие
механическая прочность и
стабильность
Низкие значения
индуктивности и ТКЧ
То же
Небольшие габариты,
широко освоены в
производстве
Высокие
механическая прочность,
стабильность и
надежность
Низкие значения
индуктивности и ТК,Ч
Малые размеры,
высокая надежность,
широко освоены в
производстве
Низкие значения Ri
и Lu ослабление
побочных резонансов
Высокие
механическая прочность,
стабильность и
надежность
Высокие
стабильность и надежность,
малые размеры
То же
Прецизионные и
широкого
применения
Для стационарной
аппаратуры
То же
Прецизионные и
широкого
применения
Прецизионные
Для стационарной
аппаратуры
Для подвижной и
стационарной
аппаратуры
, Для фильтров и
1 управляемых
генераторов
Прецизионные
" Для подвижной
аппаратуры
? То же
1
1
1
3; 5
1
1
3
3,5
1
3
5
1
Ленточное, паяное
Зажимное
Проволочное
Проволочное,
ленточное, паяное
Проволочное,
ленточное
Зажимное
Проволочное,
ленточное, паяное
Проволочное,
паяное
Проволочное, лен- |
точное, паяное
Ленточное сварное
То же
Линза
Прямоугольник
со скосами
Прямоугольник
Линзы, круглые
плоские
Линзы круглые
Прямоугольник
со скосами
Плоские пластины
Плоские
удлиненные пластины
Линза
Плоские пластины
? Линзы
Д29,
Д34,
Д38
Д49
Д60
Д49,
Д54
С34,
С29
С34, КБ
С48, С54
Э22
Э27,
Э32
Э37,
Э42,
Э47
Э27, КБ
КА
КБ
1...5
0.4. ..1,2
0,75...7
4,5...5,5
0.4...3
5.. 40
40 100
100 150
150 230
230. 300
9,5...10,5
5 .33
30.. 80
80... 100
1 5

полнительных требований. К их числу относятся требования к форме ТЧХ,
повторяемости ее от образца к образцу, постоянству или малому изменению
сопротивления в интервале рабочих температур. Обычно оговариваются
допуски на полный контроль частоты в заданном интервале температур,
положение экстремумов и наличие перегиба ТЧХ. Накладывать более жесткие
ограничения на форму ТЧХ нецелесообразно, поскольку это затрудняет производства
резонаторов.
Обязательным требованием является плавный характер ТЧХ и отсутствие
нерегулярных температурных изменений частоты [более B ... 3)«10~6 в узком
интервале температур], точность установки частоты не хуже ±5·10~6,
старение порядка A...2)-10-6 в год. В термокоимпенсационных КГ резонатор
работает при температуре окружающей среды, и, поскольку она изменяется в
широких пределах, жесткие требования предъявляются к величине
температурного гистерезиса частоты.
Существенное значение имеет теплоемкость и теплопроводность резонатора,,
что важно для учета термодинамических изменений частоты КГ при быстрых
изменениях окружающей температуры. Для их уменьшения целесообразно
использовать герметичные газонаполненные КР. Эффективным является
размещение температурного датчика (пленочного, буоинкового терморезистора)
непосредственно на ПЭ или в объеме корпуса КР.
Резонаторы для фильтров. Особенностью резонаторов, используемых в
фильтрах, является очень жесткое требование ·? частотному спектру: обычным
является требование по ослаблению побочных резонансом по сравнению с
полезным на 40... 60 дБ. Это обусловливает необходимость очень тщательного·
исполнения ПЭ, например, для высокочастотных ПЭ необходимо обеспечить
плосколараллельность не хуже 0,1 мкм. Улучшению частотного спектра
способствует уменьшение площади электродного покрытия, вследствие чего
сопротивление (и индуктивность) таких резонаторов может быть значительно больше,
чем резонаторов для КГ. Выполнение жестких требований к резонаторам по
спектру существенно увеличивает их трудоемкость и соответственно стоимость.
Известно, что кварцевые резонаторы относятся к разряду узкополосных
резонансных систем. Для обеспечения достаточно широкого резонансного
промежутка, от которого в конечном счете зависит реализуемость ширины полосы
пропускания фильтра, необходимо использовать возбуждение на основной моде
колебаний (поскольку, как уже отмечалось ранее, резонансный промежуток,
сужается пропорционально квадрату порядка возбуждаемого обертона).
Следует отметить, что именно необходимость реализации широкопол о оных
фильтров на КР на частотах 60 ... 100 МГц и выше побудила провести обширные
исследования, послужившие основой для создания мембранных ПЭ.
Нередко резонаторы для фильтров содержат в корпусе два ПЭ,
динамические параметры их выполняются такими, чтобы они составляли звено фильтра.
Сведения о производстве. Резонаторы AT выпускаются всеми
предприятиями, имеющими кварцевое производство. Как правило, предприятия
специализируются на выпуске небольшого числа типов, характеризующихся видами ис-
пользуемых корпусов. Вакуумные резонаторы выпускают в стеклянных
корпусах типов С, Э и К. Герметичные резонаторы выпускают в металлических
корпусах типов Б, М, ММ, Т, ЧБ, а также в корпусах ТО-5 от транзисторов и в
специальных корпусах, описанных в разд. 5. В производстве освоен выпуск
резонаторов с мембранными ПЭ на частоты до 70 ... 100 МГц, предназначенных
для КФ.
14,5. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Можно ожидать, что применение резонаторов AT в последующие годы
будет расти. Оно будет происходить в направлении миниатюризации КР,
связанной в первую очередь с широким применением полосковых ПЭ, расширением-
частотного диапазона до 300... 500 МГц за счет освоения технологии иовжо-
плазменного и химического травления для реализации мембранных ПЭ. Будет
расширяться применение резонаторов AT для термокомпенсированных КГ,
гибридных и монолитных КФ.
183

Резкий рост производства .простых миниатюрных КГ (микро/генераторов)
и гибридных КФ на частоты ниже 2 ... 3 МГц повлечет широкое использование
бескорпусных резонаторов AT. Также получат распространение резонаторы
в корпусах для монтажа на поверхность.
Литература к разделу 14
14.1. Bechmann R. Eigenschaften von quartzoszillatoren und resonatoren in
oereich von 300 bis 5000 kHz//Hochfrequenzt'echnik und Elektroacustik.— 1942.—
B. 59. — N. 4. —S. 97—105.
14.2. Bechmann R. Frequency-temperature-angle characteristics of AT- and
BT-type quartz oscillators in an extended temperature range//Proc. of the IRE.—
I960. —Vol. 48. —N 8. — S. 1494.
14.3. Bechmann R., Durana V. Vibration with temperature of quartz
resonator characteristics//Proc. of the IRE.—1956.— Vol. 44. — N 3. — P. 23—25.
14.4. Bechmann R. Filterquarze im frequenzbereich 7 bis 30 MHz//Archiv der
Elektrischen Ubertragung.— 1959. — II. — Bd. 13. —N 2. — S. 90—93.
14.5. Bechmann R. Schwingkristalle fur Siebschaltungen//Archiv der Eletkri-
schen Ubertragung. — 1964. — II. — Bd. 18. — N 2. — S. 129—136.
14.6. Warner A. Design and performance of ultraprecise 2,5 Mc quartz units//
Bell Systems Technical J.— 1969. —N 5,—P. 1193—1217.
14.7. Mindlin R., Forrey M. Thickness — shear and flexural vibrations oi
crystal plates//J. Appl. Phys, — 1959. —Vol. 22. — N 3. — P. 316—323.
14.8. Tiersten H. F., Smith R. C. Coupled thickness-shear and thickness-twist
resonances in unelectroded rectangular and circular AT-cut quartz plates//Proc.
35-th ASFC—1981. —P. 230—236.
14.9. Черных Г. Г., Богуш М. ?. Вывод приближенных уравнений,
описывающих колебания пьезоэлеме'нтов среза AT на частотах в районе третьей
гармоники сдвига по толщине//Электронная техника. Сер. 5. — 1977. — Вып. 2
B1). —С. 15—26.
14.10. Самойлов В. С, Шкуратник В. Л., Панкевич Л. А. Некоторые
вопросы теории колебаний пьезоэлектрических резонаторов с оконтуренными
пьезоэлементами//Электронная техника. Сер. 10.— 1972. — Вып. .3. — С. 3—15.
14.11. Поздняков П. Г., Хайкик 3. Э., Ярославский М. И.
Герметизированный кварцевый резонатор в колбе от пальчиковой радиолампы//Радиотехниче-
ское производство. — 1956. — № 3. — С. 53—54.
14.12. Okano S., Kudama Т., Yamazaki К. 4.19 MHz cylindrical AT-cui
miniature resonator//Proc. 35-th ASFC. — 1981. — P. 166—173.
14.13. Белякович Э. И. Конструирование низкоиндуктивных кварцевых
резонаторов на частоты от 1 до 10 МГц//Электронная техника. Сер. 5.— 1977.—
Вып. 2B1). —С. 27—36.
14.14. Brangl J., Fragneau M., Aurbry J. Monolithic filters using ion etched
fundamental mode resonators between 60 and 100 MHz//Proc. 39-th ASFC —
1985. —P. 504—514.
14.15. Поздняков П. Г., Андросова В. Г., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пьезоэлементами среза AT прямоугольной формы//Электронная
техника. Сер. 9.— 1970. — Вып. 2.— С. 33—39.
14.16. Белякович Э. И. К расчету прямоугольных плоских пьезоэлементов,
совершающих сдвиговые колебания/'/Электронная техника. Сер. 10. — 1973. —
Вып. 4. — С. 92—94.
14.17. Багаев В. П. Расчет эквивалентной индуктивности
металлизированных кварцевых линз среза АТ//Электронная техника. Сер. 9. — 1966. — Вып. 3.—
€. 18—28.
14.18. Пашковский Н. А. Методика расчета линзовых пьезоэлементов среза
АТ//Электронная техника. Сер. 9. -— 1968. — Вып. 3, — С. 35—41.
14 19. Smiixie R. С, Howard ?. D.? Tunt J. R. VHF monolithic crystal filters
fabricated by chemical milling//Proc. 39-th ASFC. — 1985. — P. 481—485.
14.20. Graf E. P., Peier U. R. BVA quartz crystal resonator and oscillator
production. A statistical review//Proc. 37-th ASFC. — 1983. — P. 492—500,
184

14:21. Aubry J. P., Debaisieux A. Further results on 5 MHz and 10 MHz
resonators with BVA and QAS destgns//Proc. 38-th ASFC. — 1984. — P. 190—
200.
14.22. Nakazawa M., Lukaszek Т., Ballato A. Force- and acceleration
frequency effects in groved grooved and ring-supported resonators//Proc. 35-th
ASFC—1981. —P. 71—91.
РАЗДЕЛ 15
РЕЗОНАТОРЫ ТОЛЩИННО-СДВИГОВЫХ КОЛЕБАНИЙ БТ
15.1. Общие сведения
Резонаторы БТ были открыты и исследованы одновременно с
резонаторами AT в 1934 г.
После резонаторов AT резонаторы БТ представляли наиболее
распространенный тип высокочастотных кварцевых резонаторов. Ранее резонаторы БТ
использовались более широко, чем в настоящее время. Изготовители даже
предпочитали их производство вследствие некоторых технологических преимуществ, в,
частности меньшей критичности к точности ориентации ПЭ, и более высокого
значения частотного коэффициента, что облегчало изготовление резонаторов на
высокие частоты. Однако заметно большая, чем у резонатора AT, зависимость
частоты от температуры явилась причиной 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 возбуждению
обертонов, а также с более высокой добротностью. Определились возможности
использования ПЭ среза БТ, возбуждаемых на обертонах для прецизионных
резонаторов [15.1, 15.2], высокочастотных резонаторов с мембранными ПЭ [15.3,.
15.4], а также монолитных фильтров с ослабленными интермодуляционными
помехами [15.5].
Следует отметить, что число работ, посвященных исследованиям
резонаторов БТ, намного меньше числа работ, касающихся резонаторов AT, что
можно объяснить их меньшей практической значимостью.
Особенности колебаний. Колебания пластин среза БТ аналогичны
колебаниям пластин среза AT. При колебаниях смещения происходят в направлении ¦
оси X. Толщинные колебания сдвига взаимодействуют с колебаниями изгиба
четных порядков и обертонами контурных колебаний. Для толщинных
колебаний пластин среза БТ также характерно явление захвата колебаний. Поэтому
спектр частот резонаторов БТ по своему характеру аналогичен спектру
резонаторов AT. Частотный коэффициент пластин среза БТ равен 2540 кГц-мм, что
примерно в 1,5 раза больше, чем у пластин среза AT. Поэтому при
одинаковой толщине ПЭ среза БТ имеют в 1,5 раза более высокую частоту.
Срез, и пьезоэлементы Срез БТ относится к семейству повернутых К-срезов.
Плоскость среза наклонена к оси ? под углом —48° и составляет с гранью
большого ромбоэдра угол около 11°. Срез обозначается —yxl/—48°. Угол
среза —48° является номинальным; точное значение угла среза определяется
конкретными требованиями к ТЧХ резонатора, зависит от порядка используемых
колебаний и других факторов.
Пьезоэлементы имеют такие же форму и размеры, как и ПЭ среза AT:
преимущественно форму дисков с плоскими и выпуклыми (сферическими)
поверхностями. Реже ПЭ имеют форму прямоугольных пластин или обрезанных
с двух сторон дисков.
На частотах 2... 5 МГц обычно используют ПЭ в виде плоско- или
двояковыпуклых линз. На более высоких частотах используют плоские пластины.
Электроды ПЭ имеют круглую, реже прямоугольную, форму.
185

Классификация. Резонаторы БТ имеют такие же конструктивные
исполнения и назначение, что и резонаторы AT. Ограниченная номенклатура
резонаторов БТ существенно уменьшает число практически используемых
конструктивных вариантов.
15.2, Параметры резонаторов
Диапазон частот составляет 2... 60 МГц, а для обертонных резонаторов
10... 150 МГц.
Спектр частот. Спектральные характеристики резонаторов аналогичны
характеристикам резонаторов AT. Поскольку побочные резонансы имеют
одинаковую природу, их расположение относительно рабочей частоты имеет
незначительные отличия. Отмечается несколько большая интенсивность побочных ре-
зонансов, что, по-видимому, объясняется круглой формой электродов, которая
для ПЭ среза БТ неоптимальна и не соответствует распределению
пьезоэлектрических зарядов. Это объясняется тем, что поляризационная характеристика
ПЭ среза БТ в плане имеет эллипсовидную форму, удлиненную в направлении
оси X. Для высокочастотных плоских пластин, возбуждаемых на основной
частоте, отношение большой оси эллипса к малой составляет около 1,3, а для
линзовых — до 2 и более.
Используя электроды прямоугольной или эллипсовидной формы, масса
которых рассчитана исходя из условий захвата колебаний, можно существенно
улучшить спектральные характеристики. Эти возможности улучшения
спектральных характеристик резонаторов БТ практически реализуются редко.
Резонаторы с ПЭ в виде линз имеют интенсивные побочные резонансы, обусловленные
ангармоническими обертонами. Гармонический обертон, частота которого
почти в 3 раза выше рабочей частоты, достаточно интенсивен и в последнее время
находит практическое применение при проектировании высокочастотных и
прецизионных резонаторов. Более высокие обертоны малоинтенсивны и
практического применения не находят. У плоских ПЭ частота обертона почти кратна
частоте основного колебания, у линз же она существенно отличается от
кратного значения, и это различие тем больше, чем больше кривизна сферы
линзы. Частоты ангармонических обертонов у линз отстоят тем дальше от
рабочей частоты, чем больше кривизна сферы.
Зависимость частоты от температуры. Резонаторы БТ имеют ТЧХ,
близкие к квадратичной параболе (рис. 15Л). В действительности их кривые
асимметричны: левые ветви имеют большую кривизну, чем правые. Для
приближенных расчетов кривые принимают за квадратичные параболы, у которых
коэффициент а2=—4,5· 10~8 °С~2. Для более точных расчетов можно использовать
разные значения коэффициента а2 для правой и левой ветвей, которые
составляют —6-10-8 и —3,5· Ю-8 °С~2. Поэтому резонаторы, предназначенные для
работы в широком интервале температур, должны иметь точку нулевого
значения ТКЧ левее середины интервала. Для интервала 100 °С этот сдвиг
составляет 7 °С. При этом изменения частоты на краях интервала будут
одинаковы, а общее изменение частоты наименьшее [15.6]. Изменением угла среза
положение точки То можно изменять в широких пределах — от
отрицательных температур до 100 °С и выше. В интервале температур 100 °С изменение
частоты резонатора БТ составляет 120· Ю-6, что существенно больше, чем у
резонаторов AT. Это обстоятельство ограничивает возможности применения
резонаторов БТ.
Учитывая меньшую чувствительность ТЧХ к точности ориентации пластин,
изготовители могут обеспечить большую точность положения точки Т0 по
отношению к номинальному значению по сравнению с резонаторами AT.
Поэтому резонаторам БТ отдают предпочтение в случаях, когда резонаторы термо-
статируют. Большинство резонаторов такого типа изготовляют на частоты 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. 15.2).
Эквивалентные параметры.
186

Рис. 15.1. Температур но-частотная
характеристика резонаторов БТ
Рис. 15.2. Зависимость параметра ?
от угла среза резонаторов БТ для
колебаний:
1 — первого порядка; 2, 3 — третьего
порядка
Рис. 15.3. Область возможных
значений индуктивности резонаторов
БТ
Сопротивление резонаторов БТ примерно равно или несколько больше ре-,
зонаторов AT. Сопротивление у правильно рассчитанных и выполненных резо-.
наторов практически не зависит от температуры.
Индуктивность. Резонаторы БТ характеризуются большими значениями ин-.
дуктивности, чем резонаторы AT. Индуктивность резонаторов БТ при одинако-.
Таблица 15.L Параметры
Параметры
Сопротивление
Индуктивность, Гн
Добротность Q,X106
Параллельная емкость,
пФ
Емкостный коэффициент
резонаторов
5 МГц

Плоский
1
8
0,063
0,15
5,6
480
Линза
1
26
0,30
1,35
9
2000
БТ на
частоты 5...
10 МГц
15
МГц
25 МГц
20
МГц
25
МГц
Тип ПЭ. HoiMep обертона
Линза
3
25
3,8
5
4
15 000

Плоский
1
2,6
0,011
0,33
9,8
485
Линза
3
40
1,6
2,5
5
27 500
Плоский
1
1,7
0,007
0,45
8,3
530
2,3
0,006
0,49
5,2
540
3,9
0,004
0,19
6,3
680
187

Рис. 15.4. Зависимость
индуктивности резонаторов БТ с пьезоэлементом
в виде линзы от радиуса сферы для
колебаний:
1 — первого порядка; 2 — третьего
порядка
Af/f, *ЯР
Рис. 15.5 Частотно-токовые
характеристики резонаторов БТ с
линзовыми пьезоэлементами при
возбуждении колебаний третьего порядка:
1 — на частоте 5 МГц; 2 — на частоте
10 МГц
вых размерах контура ПЭ и электродов примерно в 3,5 раза больше, чем у
резонаторов AT.
На рис. 15.3 показана область возможных значений индуктивности
резонаторов БТ. У резонаторов с ПЭ в виде линз индуктивность возрастает с
увеличением кривизны сферы; рис. 15.4 иллюстрирует характер этой зависимости.
Типичные значения параметров резонаторов БТ на частоты 5... 25 МГц
приведены в табл. 15.1.
Добротность. Резонаторы БТ характеризуются высокими значениями
добротности, которая в среднем примерно вдвое выше, чем у резонаторов AT той
же частоты и одинаковых геометрических характеристик ПЭ. Это является
существенным преимуществом резонаторов БТ в отношении получения более
чистого спектра выходного сигнала генератора [15.7]. Значения добротности
определяются конструктивными и технологическими факторами и колеблются от
5-104 до 5-106 в зависимости от частоты. Добротность с повышением частоты
уменьшается так же, как и у резонаторов AT.
Емкостный коэффициент. Параллельная емкость резонаторов БТ примерно
в 1,5 раза, а эквивалентная емкость в 4,5 раза меньше, чем у резонаторов AT.
Поэтому емкостный коэффициент оказывается примерно в 3 раза больше, чем
у резонаторов AT, и составляет обычно 650... 700. Это дает основание относить
резонаторы БТ к узкополосным. Однако на частотах 30... 50 МГц резонаторы
БТ при возбуждении колебаний первого порядка имеют меньший емкостный
коэффициент, чем возбуждаемые на обертонах резонаторы AT той же частоты.
У резонаторов с ПЭ в форме линз емкостный коэффициент достигает 2000.
Уровень возбуждения. Для резонаторов БТ устанавливают те же нормы
предельно допустимой мощности рассеяния, что и для резонаторов AT, т. е.
1 ... 2 мВт. При повышенных требованиях к стабильности частоты генераторов
рекомендуется снижать эту норму в 3... 4 раза.
Токовые характеристики отличаются от характеристик резонаторов ??
знаком изменения частоты: при увеличении тока через ПЭ частота понижается.
Величины изменения частоты при одинаковых изменениях нагрузки у
резонаторов БТ на порядок меньше, чем у резонаторов AT, что является
преимуществом этих резонаторов. Токовые характеристики существенно зависят ??
формы ПЭ. Например, у ПЭ, имеющих форму линз, изменения частоты
возрастают с увеличением кривизны сферы, Пример токовой характеристики
приведен на рис. 15.5.
Старение. Как показали исследования, вакуумные резонаторы БТ на
частоты 2... 5 МГц, предназначенные для генераторов повышенной стабильности,
за время работы в термостате при 60 °С в течение 3 лет имели наибольшие
изменения частоты, не превышающие ± Ю-6. Гарантируемое старение для таких
резонаторов за 10 лет составляет ±2-10~б. Изменения частоты вакуумных ре-
1:88

зонаторов на частоты выше 20 МГц за 5 лет в режиме хранения при
нормальной температуре составили +4-10-6. Для вакуумных резонаторов обычно
гарантируют старение за 10 лет не хуже ±10*10~6. Для герметизированных
резонаторов в металлических корпусах типа ? с гер!метизацией пайкой обычно
гарантируют изменения частоты ± C0 ... 40) · 10~б за 10... 12 лет.
Прецизионные резонаторы с линзовыми ПЭ, возбуждаемыми на третьем
обертоне, обеспечивают на частоте 5 МГц годовую временную стабильность
лучше 5-Ю-8, на частоте 10 МГц —порядка A ... 2) · Ю-7.
15.3. Конструкции резонаторов
Корпуса. Для производства резонаторов БТ используют такие же корпуса,
как и для резонаторов AT. Вакуумные резонаторы выпускают в корпусах типов
Э, С и К. Возможно исполнение резонаторов в металлических корпусах типов
Б, ? и Т, вакуум-плотно герметизируемых холодной или импульсной резистив-
ной сваркой. Герметичные резонаторы могут выполняться в металлических
корпусах типов Б, ? и ММ.
Кварцедержатели и крепление пьезоэлементов. Крепление ПЭ среза БТ не
имеет каких-либо отличий от крепления ПЭ среза AT, и для их монтажа
используют те же конструкции кварцедержателей.
Механическая прочность и устойчивость. Механическая прочность
резонаторов БТ такая же, как у резонаторов AT, поскольку конструкции корпусов,
кварцедержателей и методы монтажа ПЭ одинаковы. Это же обстоятельство
дает основание считать, что устойчивость резонаторов БТ к внешним
механическим воздействиям примерно та же, что и для резонатров AT. Точные
данные об устойчивости резонаторов БТ отсутствуют, и обычно руководствуются
данными для резонаторов AT.
15.4. Рекомендации по применению
Резонаторы БТ имеют несколько преимуществ по сравнению с
резонаторами AT, что расширяет возможности их более широкого практического
использования. К ним относятся более широкий (примерно в 1,5 раза) диапазон в
области высоких частот, вдвое более высокая добротность и малая зависимость
частоты от изменений тока, протекающего через резонатор. Это позволяет
характеризовать резонаторы БТ как обладающие более высокой кратковременной
стабильностью частоты. Имеются данные, что резонаторы БТ не уступают
резонаторам ТД (СЦ) по устойчивости к воздействию ускорений [15.1, 15.2].
Недостаток резонаторов БТ — большая крутизна ТЧХ — ограничивает
возможности их использования при эксплуатации в широком интервале
температур. Поэтому их рекомендуют применять в аппаратуре, работающей в
относительно узких интервалах температур, обычно не более 100... 120 °С.
Рекомендуется также использовать резонаторы БТ в термостатированных и термоком-
пенсированных КГ. Предпочтительно использование резонаторов БТ,
возбуждаемых на основной моде вместо резонаторов AT, возбуждаемых на обертоне,
поскольку они имеют меньшие значения индуктивности и емкостного
коэффициента, меньший уровень интермодуляционных помех и малую
чувствительность к уровню возбуждения.
В последнее время резонаторы БТ, возбуждаемые на основной моде,
успешно используют в тактовых микрогенераторах в бескорпусном варианте
выполнения на частотах 20... 50 МГц.
Сведения о производстве. Резонаторы БТ достаточно хорошо исследованы,
и опыт их производства имеет большинство предприятий. Следует отметить, что
из-за незначительного влияния технологических факторов на основные
характеристики изготовители охотно выполняют заказы на резонаторы этого типа
потому, что ПЭ требуют в несколько раз меньшей точности выполнения угла
среза.
189

Литература к разделу 15
15.1. Seed A. Development' of high Q BT-cut quartz resonator//Brit. J. Appl.
Phys. — 1965. — Vol. 16. — N 9. — P. 1341—1346. Я
15.2. Дикиджи А. Н., Варфоломеева Г. И., Дикиджи Л. Ш. Кварцевые
резонаторы с ПЭ среза БТ с возбуждением на третьей механической гармонике//
Электронная техника. Сер, 5. — 1977. — Вып. 3B2).—С. 11—117.
15.3. Галлахер Р. Серия кварцевых генераторов на частоты до 1,5 ' ГГц//
Электроника. — 1981. —№ 14.— С. 19, 20.
15.4. Aubry J. Quartz and LiTa03VHF resonators for direct frequency
generation in the GHz —range//Ultrasonics Simpos. Proc. — 1983.— Vol. 1 — ?
487—490.
15.5. Howard M. D., Smythe R. C, Morley P. E. Monolytic crystal filters
hawing improved intermodulation and power handling capability//Proc. 39-th
ASFC. — 1985. — P. 491—503.
15.6. Поздняков П. Г. Расчет пьезоэлементов с асимметричными частотно-
температурными характеристиками//Электронная техника. Сер. 9. — 1968. —
Вып. 4.— С. 86.
15.7. Соколов В. П,, Меркушенков С. Е., Кулагин Е. В. О влиянии АРУ на
КНЧ кварцевого генератора//Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная
техника.— 1978. — Вып. 2A4). — С. 37—44.
РАЗДЕЛ 16,
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ ДВУХПОВОРОТНЫХ
СРЕЗОВ
16.1. Общие сведения
В течение длительного времени проводились исследования колебаний
кварцевых пластин· со- сложной ориентацией относительно кристаллографических:
осей кристалла. Срезы такой ориентации принято называть дважды косыми или
двухповоротными, поскольку они характеризуются двумя углами поворота
относительно осей кристалла и обозначаются yxbl/y/$. Впервые резонаторы с
ПЭ такой ориентации были предложены в 1935 г. С. Боковым и К. Болдуином
(США) и обозначены ими Vi и У2. Эти срезы отличались от известных к
тому времени срезов AT и БТ дополнительным поворотом вокруг оси ? на угол
±5°. Углы среза ? у ПЭ типов У\ и W были почти такие же, как и у ПЭ AT
и БТ, а характеристики практически не отличались от характеристик
резонаторов AT и БТ. Широкого распространения резонаторы Vi и V2 не получили, w
в дальнейшем их изготовление было прекращено. Однако для семейств срезов
yxbt/y/fi сохранилось общее обозначение V [16].
В 1956 г. У. Айве и В. Боттом (США) опубликовали результаты
исследований среза ИТ и с малым значением ТКЧ и ориентацией yxbl/± 19°06735°.
Резонаторы ИТ имели ТЧХ, подобные ТЧХ резонаторов AT, но смещенные в
область более высоких температур [16.1].
В 1962 г. Р. Бехман, А. Баллато и Т. Лукашек (США) опубликовали
подробные исследования колебаний кварцевых пластин срезов V, в результате
которых был обнаружен срез РТ (yxbl/±\5°/—34°) с малой зависимостью
частоты от температуры [16.2].
В дальнейшем в связи с разработкой новых типов КР и в первую
очередь прецизионных, расширением областей их применения, ужесточением
условий эксплуатации и технических требований выявился ряд параметров,
которые необходимо было учитывать при проектировании и производстве
резонаторов. Так, обнаружившееся влияние способа крепления ПЭ на механическую*
устойчивость и временную стабильность резонаторов вызвало необходимость
190

изучения влияния местоположения точек крепления ПЭ на эти параметры, т. е.
исследования ЧСХ. Работы по сокращению времени эксплуатационной
готовности термостатированных КГ выявили необходимость учета и изучения
термодинамических эффектов при нагреве резонаторов, которые в существенной
-степени определяют кратковременную нестабильность частоты КГ,
обусловленную флуктуациями температуры термостата. Кратковременная нестабильность
частоты и фазы зависит от режима возбуждения резонаторов, поэтому
необходимо знать их токовые характеристики. Разработка конструкций резонаторов-
термостатов с размещением непосредственно на ПЭ нагревателей и
термодатчиков вызвала необходимость изучения влияния на частоту резонаторов
градиентов температуры и локального нагрева ПЭ.
Исследования кварцевых резонаторов AT и БТ, а также других известные
к тому времени двухповоротных срезов показали, что на этих срезах
невозможно обеспечить оптимальное сочетание указанных выше параметров. Это
послужило причиной проведения дальнейших исследований двухповоротных срезов
[16.3—16.7]. В результате этих исследований в 1967 г. были обнаружены
срезы ухЫ122 ... 24°/33,5 ... 35°, обладающие минимальным температурно-динамиче-
ским коэффициентом частоты (ТДКЧ) [16.7]. Они получили обозначение ТД и
охватили практически все последующие модификации, незначительно
различающиеся углом среза ?. Так, в 1974 г. в США была опубликована работа, в
которой теоретически рассматривалось влияние неравномерности прогрева ПЭ
на частоту пьезорезонаторов. Из нее следовало, что срез yxbl/22,8 /34,3°ITSt
ТЦ должен обладать нулевым значением ТДКЧ [16.8].
Впоследствии подобные расчеты были проведены по изысканию среза, у
которого минимизированы частотные сдвиги от механических напряжений в
подэлектродной области. В результате был предложен срез yxbl/22,50/34,3° EC,
СЦ) с минимальным интегральным силовым коэффициентом частоты (СКЧ)
[16.9]. Дальнейший шаг в практическом исследовании и освоении этих срезов
был сделан Дж. Кастерсом, который предложил свою модификацию — срез ТТЦ
(ихЬ 1/21,93°/33,93°), сочетающий, по мнению автора, достоинства срезов ТЦ и
СЦ [16.10].
У срезов ТД (yxbl/22... 24°/33,5... 35°) [16.7] и их зарубежных аналогов
(СЦ, ТТЦ и ТЦ) обнаружилось такое сочетание уникальных свойств, что они
стали основным объектом исследований последних лет в области пьезокварце-
вой техники; с ними в значительной мере связывают перспективы дальнейшего
совершенствования кварцевых генераторов.
В последнее время появились сообщения о новом семействе
двухповоротных срезов АК {yxbl/30... 60/17 ... 30°) [16.11, 16.12]. Утверждается, что
резонаторы этих срезов имеют нулевые значения ТКЧ первого порядка на моде С
и менее критичны к точности выполнения угла среза по сравнению со
срезами AT и БТ. Практического применения эти срезы не получили и находятся
на стадии исследований. Отмечается, что эти срезы позволяют получать
экстремумы ТЧХ в интервале температур 80 ... 115 °С, причем для обеспечения
допусков по экстремуму ТЧХ в пределах 5° достаточно точность углов среза
выполнять в несколько градусов. Резонаторы этих срезов можно возбуждать на
третьем и пятом обертонах, и, хотя частотный спектр их достаточно сложен,
есть надежда получить резонаторы с приемлемым подавлением нежелательных
резонансов. Сведений по динамическим параметрам резонаторов не
приводится. Частотный диапазон, перекрываемый резонаторами АК, по-видимому,
близок к диапазону частот резонаторов AT. На рис. 16.1 приведены значения
углов среза ? и ? для различных двухповоротных срезов, при которых ТКЧ
первого порядка равны нулю.
В настоящем справочнике не рассматриваются двухповоротные срезы,
используемые для изготовления температурных датчиков. Интересующиеся могут
найти сведения в [14].
Особенности колебаний. Поворот среза, обусловленный углом ?,
определяет ориентацию ПЭ относительно осей кварца, при которой электрическое
поле, перпендикулярное плоскости среза, возбуждает три компоненты
деформаций и соответствующих им толщинных^ колебаний, которые принято называть
колебаниями Л, ? и С. Направления смещений этих колебаний
перпендикулярны друг другу и в общем случае не совпадают ни с нормалью к плоскости сре-
191

Рис. 16.1. Значения углов среза ? и
у для пьезоэлементов двухповорот-
ных срезов, при которых ТКЧ
первого порядка равны нулю
за, ни с самой плоскостью.
Колебания А — продольные, и их
смещения происходят в направлении,
близком к .нормали плоскости среза, а
колебания В ' и С — поперечные,
сдвиговые, и их смещения
происходят в плоскости, нормальной к
направлению смещений колебаний А и
близкой ,к плоскости среза ПЭ^
Возбуждение трех толшщиных
колебаний ухудшает частотный
спектр резонаторов, однако
колебания типа А возбуждаются слабо, а
колебания сдвига эффективно
возбуждаются в плоских и выпуклых
пластинах. Частоты упомянутых
колебаний всегда располагаются в
такой последовательности: /а>:/в>/с.
Колебания пластин среза AT
относятся к колебаниям С.
Колебания пластин срезов Vi с малым
значением ТКЧ также являются колебаниями С и происходят в плоскости,
близкой к плоскости ?', #', что определяет сходство их характеристик, в первую
очередь ТЧХ. Вследствие этого резонаторы Vi нередко рассматривают как
модификации резонаторов AT. Для колебаний В в срезах Vi также обнаружены
срезы с нулевым значением ТКЧ, однако их ТЧХ имеют вид относительно
крутых параОол второго порядка с коэффициентом ?2==3·10~8 °С~2 и их
использование в резонаторах не нашлю применения.
Для колебаний сдвига пластин срезов Vu как и для пластин среза AT,
характерны явления захвата колебаний и присутствие близких ангармонические
обертонов. Однако в отличие от пластин среза AT пластины срезов 1?
содержат еще интенсивные побочные резонансы, обусловленные колебаниями В и
его ангармониками. По мере увеличения угла у интенсивность колебаний С,
являющихся рабочими, уменьшается, а колебаний В увеличивается, поэтому
резонаторы, ПЭ которых имеют большие углы среза ?, имеют малую
активность и большие, чем резонаторы AT, сопротивление и индуктивность.
Частота побочного резонанса срезов Vi, обусловленного колебанием Л, в
зависимости от угла среза на 8... 13% выше частоты рабочего резонанса.
У пьезоэлементов срезов РТ и ТС, относящихся к группе срезов Vs,
полезными также являются колебания вида С.
Срезы и пьезозлементы. Ориентация ПЭ среза Vx в общем случае
показана на рис. П.8. Симметрия упругих свойств кварца такова, что знак угла
среза ? не имеет значения и характеристики резонаторов одинаковы для ПЭ с
отрицательными и положительными углами ?. Срезы 1? с малым значением
ТКЧ для значений углов от 0 до 30° имеют угол ?, близкий к 35°. Для
каждого угла у существует определенный угол ?, при котором средний ТКЧ имеет
минимальное значение и экстремум ТЧХ при заданной температуре. Пьезоэле-
менты имеют такие же форму и размеры пластин и электродов, как и пьезо-
элементы AT. На частотах ниже 5 МГц часто 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 резонаторы AT. Обозначения срезов,
предложенные авторами, например ИТ, РТ, ТС, ТД, используются и для обозначения
соответствующих типов резонаторов. Обозначение ТД принято в качестве
группового для ряда срезов, различающихся ориентацией угла ? в пределах 22...
... 24°. За рубежом в качестве такого группового обозначения принято
обозначение СЦ для срезов СЦ, МСЦ, ТТЦ, ТЦ, ЕУ и др. (см. табл. 16.1).
192

Таблица 16.1. Родовые обозначения и углы среза двухповоротных
резонаторов
Условные об
латинское |
Vi
—
FC
IT
TS
SC
ттс
MSC
??
—
v2
RT
—
AK
означения
русское
ДП
???
ит
тц
сц
ттц
тд*
тд
ев :
—
??
тс
AK i
Углы с
V
±5°
±13°54'
±15°
+ 19°06'
±22°487
±22°30'
±21°56'
±23°25/
ч-23°30'
±2147f
-ь5°
±15°
±13°54'
30—60°
реза
?
+ 35°
+ 35°
+ 35°
+ 35°
+ 3448'
+ 34° 18'
+ 33°56'
+ 34°
+ 34° 1 :
+ 34°08/
—49°
—34°
—33°
17—30°
Источники
информации
[16]
[16.3, 16.4]
[16.5]
'[16.1, 16.2]
[16.8]
[16.9J
[16.10,
16.30]
[1, 16.31]
[16.32]
[16.21]
[16]
[16,2]
[16.6]
[16.11,
16.12]
* Семейство срезов ТД охватывает пределы ориентации по углу ?= ± B2 ... 24)°, по
углу ?-C3,5 ... 35)° [16.7]
16,2. Параметры резонаторов
Диапазон частот. Поскольку частотный коэффициент у ПЭ срезов Ух
почти такой же, как у AT, резонаторы V\ можно изготовлять на те же частоты:
1 ... 40 МГц на колебаниях первого порядка и до 200... 250 МГц — на
обертонах.
У срезов V2 частотный коэффициент выше, что позволяет изготовлять
резонаторы на частоты 2... 50 МГц на колебаниях первого порядка. При
возбуждении обертонов резонаторы У2 имеют большие сопротивления и
индуктивности и интенсивный побочный резонанс моды В.
Спектр частот резонаторов Vi существенно усложнен по сравнению со
спектром резонаторов AT и БТ из-за наличия колебаний В со своим спектром
ангармонических резонансов. Побочные резонансы, обусловленные колебаниями
В, расположены выше рабочей частоты (рис. 16.2). По мере увеличения угла
у интенсивность колебаний вида В возрастает, а вида С падает. Для срезов
Vi, например при ? ж 20°, сопротивление на колебаниях В меньше, чем на
полезном колебании С, что усложняет практическое использование резонаторов
Зависимость частоты от температуры. Температурно-частотные
характеристики резонаторов Уи по форме подобные ТЧХ резонаторов AT, также могут
быть описаны параболой третьего порядка. По мере увеличения угла среза 7
точка перегиба ТЧХ Тп смещается в область более высоких температур. На
рис. 16.3 изображена зависимость положения точки Тп от угла среза у, а на
рис. 16.4 приведены типичные ТЧХ резонаторов срезов Vx с разными углами
у. Небольшие изменения угла ? вызывают изменения угла наклона ТЧХ
между точками ??? и Тог и расстояния между ними, подобно тому, как это
происходит у резонаторов AT. На рис. 16.5 приведено для примера семейство ТЧХ
среза ИТ,, а также ТЧХ среза ДП.
Используя ПЭ с разными углами среза у, можно получать ТЧХ с разными
расположениями точек ???, Т02 и Гп. По сравнению с резонаторами AT
резонаторы Vi более пригодны для работы в интервале положительных темпера-
7—45 193

Рис. 16.2. Спектральные характеристики резонаторов V с разными углами
среза у:
а — AT; 6 — 5°; в — 14°, г ~- 19°, д — 26°; е — 30°'
Рис. 16.4 Типичные ТЧХ
резонаторов:
1— AT; 2—ДП; 3 — ИТ; 4— ТД; 5 — БТ
Рис. 16.3. Зависимость точки
перегиба кривых ТЧХ реознаторов Vi от
угла среза ?

Рис. 16.5 Кривые ТЧХ
резонаторов V\:
/, 2, 3—ИТ для разных
углов среза ?; 4 — ДП
тур и в термостатированных генераторах, так как позволяют использовать в
качестве рабочей точку То2 на более высоких температурах при меньшей
крутизне. Срезы с большими углами ? позволяют использовать в качестве рабочей
точку Той Для удобства оценки температурной нестабильности частоты при
работе вблизи экстремума ТЧХ практикуют замену кубической параболы парабо-
лой второго порядка. Коэффициент а2 этой параболы зависит от температуры;
экстремума ТЧХ. Например, для среза AT вблизи 70 °С он примерно равен·
1,2· 10~8, вблизи 85 °С —1,8· Ю-8, а для среза ТД соответственно 0,7'· Ю-8 m
0,4-10-SOC-2.
Пьезоэлементы V2 имеют только один полезный срез РТ (и его
модификацию срез ТС), ТЧХ которого представлена на рис. 16.6 и достаточна точно
может быть описана квадратичной параболой. Коэффициент а2,
характеризующий крутизну параболы, составляет около @,6 ... 1) · 10~8 °С~2, т. е. в 5 ... в
раз меньше, чем у среза БТ. Основным препятствием для широкого
использования среза РТ является относительно невысокая активность колебаний на
рабочей частоте и наличие активного побочного резонанса, расположенного
примерно на 10% выше рабочей частоты. Сопротивление на частоте побочного
резонанса оказывается в 4... 5 раз меньше, чем на рабочей частоте, что,
учитывая близость этих частот, исключает использование резонаторов в
апериодических генераторах и требует введения избирательных цепей. Однако эти
схемные затруднения не столь значительны; найдены варианты схем, в которых
резонаторы двухоповоротных срезов возбуждаются устойчиво.
Реальные возможности исключения возбуждения на моде В связаны с
конструктивными усовершенствованиями резонаторов, а именно
использованием параллельного поля возбуждения.
Частотно-силовая характеристика
(ЧСХ) ПЭ определяет зависимость
изменения частоты от величины и ази- 'л
мута угла прикладываемого
(механического усилия в плоскости пластины. Для
резонаторов некоторых срезов ЧСХ
приведены на рис. 16.7. Изменение
частоты щроиорционалыго усилию, причем
знак изменения частоты меняется на
обратный при приложении
растягивающего усилия вместо сжимающего.
Силовой коэффициент частоты
(СКЧ) определяется отношением отио-
сителш'аго изменения частоты к
величине механического усилия: CK4 = AfjfF,
где F — приложенное усилие. СКЧ
обратно пропорционально диаметру ПЭ и
площади поперечного сечения. При
анализе ЧСХ двухиоборотных срезов Vi
обнаруживается следующая закономер-
7*
Af/f,*JU*
Рис, 16.6. Кривые ТЧХ резонаторов:
)-РТ; 2 — БТ
195

Рис.. 16.7. Частотно-силовые характе^
ристики резонаторов:
7 —AT; 2— БТ; 5 —ТД. Угол
отсчитываете я от оси X
Рис. 16.8. Зависимости отношений
интегральных силовых .
коэффициентов частот резонаторов V\ (ИСКЧ^,
и резонаторов AT (ИСКЧлт) (Г) и
температурно-динамических
коэффициентов частоты резонаторов Vt
(ТДКЧу)' B) от угла среза ?
ность: но мере увеличения угла у у ПЭ меняется величина СКЧ и происходит
перераспределение положительной и отрицательной областей ЧСХ.
Алгебраическим-худому авалем- 1Ш>щад-ей, описываемых ЧСХ, можно определить,
интегральную величину СКЧ пьезоэлемента данного среза. Значение интегрального
СКЧ изменяется от макшмалыного положительного для ПЭ среза AT (? = 0°) до
отрицательного для ПЭ юреза с у>2:3° (риге. 16.8). У срезов с. ?^2;2...23°
интегральный СКЧ близок нулю. Ниже показано, что .резонаторы с ПЭ такого
среза обладают юущееггаенными преимуществами по сравнению с резонаторами
AT (-см. разд. 17).
¦Температурно-динамическая характеристика. При медленном изменении
окружающей температуры, когда тепловое равновесие устанавливается по всему
объему ПЭ, изменения частоты КР достаточно точно описывает ТЧХ, которую
называют статической. При увеличении скорости изменения окружающей
температуры ТЧХ начинает видоизменяться и становится резко отличной от
статической ТЧХ при очень быстрых изменениях температуры. Такие
характеристики называют температурно-динамическими. Изменение характера ТЧХ
резонатора при большой скорости изменения температуры объясняется
возникновением в ПЭ изменяющегося во времени температурного градиента и
механических напряжений, сопровождающихся изменением частоты. Знак изменения
частоты зависит от направления изменения температуры. Для резонаторов ??
при повышении температуры частота понижается по сравнению со значением,
соответствующим статической ТЧХ, при понижении температуры — повышается.
Для среза БТ наблюдаются противоположные по знаку изменения частоты.
Наличие температурно-динамического эффекта накладывает жесткие
ограничения как на амплитуду допустимых колебаний температуры термостата б
КГ, так и на скорость ее изменения и должно учитываться при
проектировании генераторов повышенной стабильности. Температурно-динамический эффект
в резонаторе удобно оценивать по величине отклонения частоты при
изменении температуры по синусоидальному закону с постоянной амплитудой и
разными периодами [16.13—16.15]. В этом случае скорость изменения
температуры не будет иметь разрывов и неопределенностей и изменение температуры
будет повторяться на ПЭ без искажения, а только с ослаблением по амплитуде
196

й сдвигом по фазе. Тогда изменение частоты резонатора за счет наличия в ПЭ
меняющегося во времени температурного градиента можно описать' темпера-
турио-динамической характеристикой (ТДХ), определяющей амплитуду
относительного изменения частоты от периода колебаний температуры.
Относительное изменение частоты при воздействии синусоидального изменения
температуры для определенного периода этого воздействия называют температурно-
динамическим коэффициентом частоты:
ТДКЧ/7^ '= ?///??,
где kf/f — амплитуда относительного изменения частоты; AV — амплитуда
синусоидального изменения температуры; 7\ — период изменения
температуры. Температурно-динамическая характеристика выражает зависимость ТДКЧ
от периода изменения температуры. При медленном изменении температуры
баллона резонатора (большом периоде изменения температуры) температурно-
динамический эффект не проявляется и частота резонатора будет изменяться
в соответствии со статической ТЧХ. С уменьшением периода колебаний
температуры увеличивается затухание температурной волны при прохождении от
корпуса до ПЭ и при большой частоте колебаний температуры затухание
температурной волны будет настолько значительным, что в ПЭ будут появляться
лишь малые градиенты температуры, не вызывающие заметного изменения
частоты. Наиболее неблагоприятным будет такой период изменения температуры,
когда затухание температурной волны в кристаллодержателе будет еще
небольшим, а ПЭ не 'будет успевать прогреваться и остывать равномерно по
всему объему. Типичная ТДХ имеет вид, представленный на рис. 16.9.
Температурно-динамические характеристики резонаторов существенно
зависят от номинала частоты, возбуждаемого обертона, наличия и формы
электродного покрытия, конструкции кристаллодержателя, количества и
теплопроводности отводов, степени вакуума и других факторов. Поэтому приведенная на
рисунке ТДХ носит качественный характер и для каждого типа резонатора
требует экспериментального определения. Для одного и того же номинала
частоты ТДКЧ резонатора, возбуждаемого на основной моде, больше, чем у
резонатора, возбуждаемого на обертоне; ТДКЧ резонатора, не имеющего в центре
ПЭ электродного покрытия (например, при возбуждении в зазоре или
параллельным полем), меньше, чем у резонатора с обычным электродным
покрытием; ТДКЧ газонаполненного резонатора больше, чем вакуумного.
При исследовании ТДКЧ резонаторов срезов AT, БТ и Ул было выявлено,
что изменение частоты при воздействии на резонатор нестационарного
температурного поля обусловливается в первую очередь возникновением в ПЭ
радиальных механических напряжений [16.15] и, следовательно, ТДКЧ связан с
интегральным СКЧ. Как и СКЧ, ТДКЧ двухповоротных срезов уменьшается с
увеличением угла ? и близок к нулю при 7^22 ...23 (см. рис. 16.8).
Характеристика локального нагрева. Впервые частотные характеристики ПЭ
при температурном точечном зондировании были осуществлены в начале 70-х
Af/fAT^,xWST2
Рис. 16.9. Типичная температурно-
динамическая характеристика
резонатора
Рис. 16.10. Частотные характеристи
ки при локальном нагреве пьезоэле-
мента:
а — AT; б — ТД
197

годов и опубликованы в [16.16, 16.17], а позже в [16.18]. При нагреве
отдельных точек поверхности ПЭ постоянным тепловым потоком наблюдается
изменение частоты, причем оно неодинаково и зависит от местоположения
зондируемых точек. Характеристика локального нагрева ПЭ среза AT [16.17, 16.18]
имеет форму, приведенную, на рис. 16.10. При воздействии теплового потока в
центральной части ПЭ частота повышается, а в периферийной понижается.
Имеется линия нулевых изменений частоты эллипсовидной формы, вытянутая вдоль
оси X, воздействие теплового потока в которой не вызывает изменений
частоты. Экспериментально показано, что положение нейтрали зависит от номера
обертона, крутизны сферической поверхности ПЭ. Поэтому приводимые в
настоящем разделе данные справедливы для одного типа резонаторов на частоту
5 МГц C-й обертон) с ПЭ диаметром 14 мм в виде плосковыпуклой линзы с
радиусом сферы 150 мм.
Причиной наблюдаемых изменений частоты является воздействие
механических напряжений, возникающих в области точечного нагрева и в этом плане
связанных с частотно-силовыми и температурно-динамическими эффектами.
Характеристику локального нагрева необходимо учитывать при проектировании
резонаторов с нанесенными на поверхность ПЭ нагревательными элементами.
Характеристики локального нагрева ПЭ двухповоротных срезов Vi при
углах ?<20° подобны характеристике локального нагрева среза AT; при этом
линия нулевых изменений частоты, сохраняя в искаженном виде элипсовидную
форму, разворачивается относительно оси X в плоскости ПЭ. Существенно иную
форму имеет характеристика локального нагрева у ПЭ резонаторов ТД (см..
рис. 16.10,6). На ней имеются две области, расположенные под углом 45° к
оси X, точечный нагрев в которых вызывает понижение частоты; во всех
остальных точках ПЭ точечный нагрев сопровождается повышением частоты.
Зависимость частоты от приложения постоянного электрического поля.
Если на электроды возбужденного КР подать постоянное электрическое поле, то
будет наблюдаться изменение частоты. У среза AT частота незначительно
повышается (примерно на 10~10 В-1)· У резонатора ТД частота понижается
существенно больше (на 2,2*Ч0~9 В-1).
Эквивалентные параметры. Все резонаторы типа V\ характеризуются
более высокими сопротивлением и индуктивностью по сравнению с резонаторами
AT. По мере увеличения угла у значения этих параметров возрастают. Для
их определения можно руководствоваться значениями параметров резонаторов
AT и приведенными на рис. 16.11 зависимостями отношений этих параметров
от угла ?. В табл. 16.2 и 16.3 приведены значения параметров резонаторов Vir
V2 с одинаковыми геометрическими размерами, дающие представление о
порядке их значений.
Рис. 16.11. Зависимости отношений
от угла среза у:
I — частотного коэффициента; 2 —
сопротивления; 3 — индуктивности резонаторов
V'i( по отношению к резонаторам AT)
138
Рис. 16.12. Зависимости изменения
частоты резонаторов V\ от тока
через резонатор

Таблица 16.2. Параметры резонаторов V\ в сравнении с AT
Обозначение
среза
АТз
ДПз
ИТз
ТДз
???
ДП,
тдг
Частота, МГц
5,
5
5
5
10
10
10

Сопротивление, Ом
20
30
48
80
5
8
14

Индуктивность, Г н
1,4
2,0
3,5
5,8
0,014
0,025
0,052

Добротность, Q.X106
2,2
2Д
2,3
2У3
0,18
0,20
0,23
Таблица 16.3. Параметры резонаторов V2

Обозначение среза
РТ
РТ
РТ
тс
Частота,
МГц
10
10
10
5
Диаметр
электрода,
мм
3
4
5
8

Сопротивление, Ом
127
71
35
40

Индуктивность, Гн
0,7
0,39
0,23
2,9

Добротность, Q,X106
0,34
0,34
0,43
2,2
Резонаторы V2 (РТ и ТС) характеризуются очень высокими значениями
индуктивности, которые при одинаковых геометрических характеристиках ПЭ
примерно в 15 раза выше, чем у резонаторов AT.
Добротность. Резонаторы V\ имеют такие же значения добротности, как
и резонаторы AT, или несколько большие, У резонаторов РТ, как и БТ, на
колебаниях первого порядка добротность примерно втрое выше по сравнению с
резонаторами AT.
Емкостный коэффициент. Отношение емкостей С0/С1 у резонаторов V
возрастает с увеличением угла среза у. Для резонаторов, возбуждаемых на
основной моде колебаний на частоте 10 МГц оно составляет: для среза AT около
250, для среза ИТ 500, для среза ТД 1000, а для резонаторов РТ существенно
больше (около 5000). Большие значения емкостного коэффициента
характеризуют эти резонаторы как узкополосные и определяют области их применения
преимущественно как элементов стабилизации частоты КГ.
Уровень возбуждения. Точные данные о предельно допустимой нагрузке
резонаторов отсутствуют. Считают, что допустимая мощность рассеяния может
быть такой же, как и для резонаторов AT. Токовые характеристики некоторых
резонаторов типа V\ приведены на рис. 16.12, из которых видно, что они
менее чувствительны к изменениям нагрузки, чем резонаторы AT, причем
минимальной чувствительностью обладают резонаторы ТД.
Старение. Резонаторы V имеют примерно такую же величину старения, как
и аналогичные резонаторы AT. Исключение составляют резонаторы ТД,
особенно высокочастотные, о чем более подробно будет сказано ниже.
16.3. Конструкции резонаторов
Корпуса и кварцедержатели. В конструктивном отношении резонаторы V
не отличаются от резонаторов AT. Для них используются те же способы креп-
ления ПЭ и корпуса. Обычно резонаторы изготовляют в корпусах типов М,
ММ, Т, К, С и Э, однако их могут изготовлять и в корпусах других типов.
Механическая прочность и устойчивость. Механическая прочность резона-
199

Рис. 16.13. Изменения частоты
резонаторов ТД (сплошная линия) и AT
(штриховая линия) при поворотах
в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях относительно
направления силы тяготения
Рис. 16.14. Периодические
изменения частоты резонаторов семейства
Vi, соответствующие одинаковым
периоду и амплитуде колебаний
температуры
торов V такая же, как и резонаторов AT. Механическая устойчивость
резонаторов существенно зависит от ЧСХ и способа монтажа. Так, при
расположении точек монтажа в нулевых точках ЧСХ удается повысить механическую
устойчивость на порядок. Повышенной механической устойчивостью при прочих
равных условиях обладают резонаторы, выполненные из срезов с малым
интегральным значением СКЧ (рис. 16.13).
16.4. Рекомендации по применению
Резонаторы двухповоротных срезов рекомендуется использовать в КГ
высокой стабильности, в которых применено термостатирование. По сравнению с
резонаторами AT у резонаторов семейства срезов 1Л более пологая ТЧХ в
области нулевого значения ТКЧ. Они менее чувствительны к механическим
воздействиям и резким изменениям температуры. Резонаторы реализуются как
прецизионные, подробные сведения о них приведены в разд. 17.
Сведения о производстве. Опыт производства резонаторов
двухповоротных срезов имеет ограниченное число предприятий. Серийно выпускаются
прецизионные резонаторы срезов ДП и ИТ на частоту 5 МГц в стеклянных
баллонах типа С. В последние годы в серийном производстве освоено
изготовление резонаторов ТД и его модификаций, но выпуск их ограничен. Резонаторы
выпускаются вакуумными в стеклянных корпусах типов Си Э.
Сведения о призводстве. Опыт производства резонаторов до последнего
времени имело небольшое число предприятий. Серийно выпускались
прецизионные резонаторы ДП и ИТ преимущественно на частоту 5 МГц. Однако за
последние годы в связи с разработкой резонатора ТД и его модификаций
производство этих резонаторов на разные частоты освоено на нескольких
предприятиях.
16.5. Возможности улучшения характеристик резонаторов
В настоящем разделе более подробно рассмотрены характеристики
резонаторов ТД [16.19—16.21] и попутно отмечаются те или иные особенности дру*
гих резонаторов двухповоротных срезов [34, 16, 22—16.24].
200

Температурно-частотные характеристики резонаторов ТД по форме
подобны ТЧХ резонаторов AT, но расположены выше по оси температур так, что
точка их перегиба оказывается около 110°С против 27 °С для среза AT.
Положение экстремумов ТЧХ, как и у резонаторов среза AT, можно
регулировать небольшим изменением угла среза ?, У резонаторов ТД рабочей
областью является область вблизи экстремума (максимума) ТЧХ. Для температур
выше 70 °С можно получить очень пологий участок ТЧХ, характеризующийся
квадратичным коэффициентом а2, в несколько раз меньшим, чем у
резонаторов AT при тех же температурах. С этой точки зрения применение
резонаторов ТД предпочтительнее в термостатируемых конструкциях опорных
генераторов (ОГ) при температурах выше 70 °С, ибо позволяет обеспечить более
высокую температурную стабильность при той же точности поддержания
температуры.
Другим важным преимуществом резонаторов ТД является их низкая
чувствительность к быстрым изменениям температуры. Наблюдаемое при этом
кратковременное изменение частоты, обусловленное механическими
напряжениями в ПЭ вследствие температурных градиентов, намного превышает
изменение частоты, определяемое статической ТЧХ. Например, в термостатированных
КГ при изменении температуры на 0,005 °С с периодом 5 с изменение частоты
резонаторов AT составляет Ю-8, в то время как такие же по амплитуде, но
очень медленные изменения температуры порядка 1 ч вызывают намного
меньшие изменения частоты порядка 5·10~10. По данным [16.22] периоды
изменения температуры даже в течение нескольких часов или суток определяют
заметные изменения частоты (табл. 16.4), в то время как у резонаторов СЦ (ТД)
температурно-динамический эффект на два порядка меньше, чем у резонаторов
AT. Это позволяет снизить требования к системе регулирования температуры
термостата при использовании резонаторов СЦ (ТД) и легче достичь
нестабильности частоты порядка Ю-11 ... 10~12.
Резонаторы других двухповоротвых срезов по значению ТДКЧ занимают
промежуточное положение между резонаторами AT и ТД. На рис. 16.14
показаны изменения частоты резонаторов на 5 МГц (третий обертон) — AT,
ДП, ИТ и ТД при одинаковых амплитуде и периоде изменения температуры.
Малое значение ТДКЧ резонаторов ТД обусловливает еще одно их
преимущество, заключающееся в сокращении времени установления частоты
после включения КГ. На рис. 16.15 приведены типичные характеристики установ-
чения КГ. На рис. 16.15 приведены типичные характеристики
установления частоты КГ с резонаторами АТ3 и ТД3 (частота 5 МГц). В случае
резонаторов AT повышение скорости нагрева термостата практически не
уменьшает время установления частоты из-за выбросов частоты, которые
возрастают по мере увеличения скорости изменения температуры. В случае резонаторов
ТД даже при скорости изменения температуры 24°С/мин термодинамические
эффекты еще заметно не проявляются, что втрое сокращает время
установления частоты. Время установления частоты в еще большей степени сократится
при наличии в объеме резонатора газовой среды. Хотя в этом случае ТДКЧ
резонатора возрастет, что вызовет увеличение амплитуды выброса частоты
относительно установившегося значения, в целом из-за более быстрого
выравнивания температуры ПЭ время
установлечния частоты уменьшит- Таблица 16.4. Относительное изменение
ся, частоты резонаторов AT в зависимости от
У резонаторов ТД интеграль- амплитуды и периода температурных цик-
ный СКЧ равен нулю, благодаря лов
чему они обладают лучшей
механической устойчивостью. Так
изменения частоты КГ с
резонаторами АТ3 и ТД3 на 5 МГц при
поворотах во взаимно
перпендикулярных направлениях
относительно направления силы тяжести
'Показали, что у резонаторов ТД
юни не превышают 10ч. Это
втрое меньше, чем у резонаторов
Период

изменения
температуры
1 мин
1 Ч
1 сут
Изменения частоты ?/// при
различных амплитудах
изменения температуры
0,01°С
1,6-Ю-8
2,7-Ю-10
1,1-Ю-11
^ОТ0,001°С
1,6- Ю-9
и-ю-12
201

Рис. 16.15. Временные зависимости изменения частоты резонаторов при различ-
ной скорости нагрева:
a — AT; 6 —ТД
AT. В обоих случаях крепление ПЭ осуществлялось в точках нулевых
значений ЧСХ. Интегральный СКЧ резонаторов определяет и такие важные
характеристики, как устойчивость частоты к циклическим изменениям температуры
и старение.
После воздействия на резонатор больших перепадов температуры,\
например крайних рабочих температур —60 и +70 ... 85 СС, наблюдаются
необратимые изменения частоты, соизмеримые с изменениями при длительном хранений
и эксплуатации. Эти изменения тем больше, чем больше температурный \
перепад. Если изменения температуры носят циклический характер, то первые
циклы вызывают изменения частоты большие, чем последующие. Природа этого
гистерезиса частоты при отсутствии загрязнений в объеме резонатора
обусловлена силовыми эффектами: наличием и релаксацией механических напряжений.
в узлах крепления ПЭ и в подэлектродной области [16.25]. В силу сказанного
резонаторы ТД должны быть менее чувствительны к циклическим
воздействиям температуры, чем резонаторы AT. Испытания на воздействие циклов —140...
... +70 °С показали, что у резонаторов ТД3 на 5 МГц наблюдались изменения
частоты до ±5· Ю-8, в то время как у подобных резонаторов AT эти
изменения достигали —25· Ю-8. Крепление ПЭ в обоих случаях осуществлялось в
нулевых точках ЧСХ. ГиСтерезисные явления обусловливают также время
выхода на заданную стабильность и невоспроизводимость частоты после
перерывов в работе термостатированных КГ.
Испытания резонаторов ТД на старение показали, что они имеют меньшую
скорость старения по сравнению с аналогичными резонаторами AT. По
данным [16.24] скорость старения резонаторов ТД3 на 5 МГц втрое меньше, чем
AT. Особенно впечатляющие результаты приведены в [16.26] по старению
резонаторов ТД3 на 80 МГц. Относительное изменение частоты КР составило
менее 5·10~7 за год испытаний, что в десятки раз меньше, чем для
аналогичных резонаторов AT. Такое малое старение объясняется нулевым значением
интегрального СКЧ резонаторов, вследствие чего релаксация механических
напряжений в подэлектродной области ПЭ не сопровождается изменением
частоты. Очевидно, что вклад в старение релаксационных процессов в
подэлектродной области тем больше, чем тоньше ПЭ. Поэтому так ощутима разница
в старении резонаторов AT и ТД именно на высоких частотах.
Резонаторы ТД обладают заметно меньшей зависимостью частоты от
уровня возбуждения. Эта зависимость имеет вид Af/f^KI2,, где коэффициент &
202

зависит от среза, возбуждаемой моды, формы и размеров ПЭ и электродов.
Для резонаторов ТД ](«0Г03· Ю-6, для резонаторов AT 7(^0,2-10~6. Этим
объясняется на порядок более высокая кратковременная стабильность КГ с
резонаторами ТД [16.24].
Таким образом, резонаторы ТД существенно более стабильны и менее
чувствительны к таким внешним дестабилизирующим факторам, как
медленные и быстрые колебания температуры, "механические воздействия, изменения
напряжения источников питания по сравнению с резонаторами других срезов.
Широкому использованию резонаторов ТД препятствовали два
обстоятельства: наличие интенсивного и близко расположенного резонанса моды В и
сложности точной ориентации среза. В последнее время разработаны схемы КГ,
обеспечивающие устойчивое возбуждение резонаторов на моде С [16.27].
Одновременно ведутся работы по ослаблению колебаний моды В. К ним
относятся возбуждение в параллельном поле, оптимизация формы электродов и др.
Например, при возбуждении ПЭ среза ТД3 на 5 МГц электрическим: полем,
параллельным оси X, колебания моды В ослабляются более чем на 15 дБ по
отношению к моде С, что исключает возможность возбуждения колебаний
моды В в КГ. Если при этом ширину зазора между электродами сделать 30...
... 50 мкм, то сопротивление и индуктивность оказываются всего в 3... 4 раза
больше я не наблюдается изменений динамических параметров в
температурном интервале [16.20].
Параллельно ведутся работы по применению двухмодового возбуждения
резонаторов ТД. При этом -колебания моды С используются как источник
стабильной частоты, а моды В — в качестве стабильного во времени
температурного датчика с ТКЧ =—0-10-6 0С_1, на основе которого строится
система терморегулирования термостата в КГ [ 16.28]. Особенно перспективно
использование двухмодового возбуждения в сочетании с микропроцессорной
техникой в терм оком пеней ров а иных КГ (ТККГ). Считают, что возможно
обеспечить температурную стабильность таких КГ в пределах ±5?0~8 и лучше в
широком интервале температур [16.28, 16.29]. Двухмодовое возбуждение
возможно при условии работоспособности каждой моды во всем интервале
рабочих температур. При этом желательно, чтобы амплитуда колебаний рабочей
моды С была выше, чем температурной моды В. В этом плане использование
среза ТД не является оптимальным, поскольку мода В среза ТД активнее
моды С. Кроме того, ТЧХ резонатора ТД в случае применения в ТККГ далеко
не оптимальна, поскольку при смещении экстремума в область температур
ниже 20°С увеличивается крутизна температурной кривой. Например, при
использовании резонаторов ТД в режиме термокомпенсации изменение частоты
на крайних точках температурного интервала —40 ... +75°С достигает 60-10~6.
Поэтому целесообразно использовать другие двухповоротные срезы: ИТ, ДП
или срезы с углом у ^10°, у которых в том же температурном интервале
изменения частоты не превысят B0 ... 30) -10~6. Одновременно у этих срезов
получаются лучшие отношения активностей мод В и С.
Определенный интерес представляет возможность термостабилизации
частоты резонаторов ДП, ИТ ,и ТД при нерегулируемом локальном нагреве ПЭ.
Размещая нагреватель в области положительных изменений частоты
характеристики локального нагрева и подавая на него постоянное напряжение, можно
настолько растянуть и сделать более пологой ТЧХ [резонатора, что при
мощности нагрева 0,2 ... 0,3 Вт в интервале температур —40... 4-70°С можно
реализовать температурную стабильность порядка A ... 2) ·10~6 (рис. 16.16).
Применение для этих целей резонаторов ТД предпочтительнее в силу того, что
область изменений частоты от локального нагрева, используемая дл.я
термостабилизации у ПЭ, расположена вне центральной колеблющейся области. У дру-
ттих же срезов эти области совпадают, поэтому размещение нагревателя
связано с определенными затруднениями. Тем не менее подобная тер моста би
лизания частоты может быть достигнута и на резонаторах ДП и ИТ.
При использовании двухповоро-таых срезов требуется более точная
ориентация углов среза, а сама техника ориентации и обеспечение требуемых
угловых допусков 'более сложны. Так, в [16.30] утверждается, что резонаторы TTU
в 10...20 раз больше чувствительны к угловым допускам, чем резонаторы AT
и БТ. Для тюлучевжя экстремума ТЧХ в пределах 80 ... 84°С необходимо, на-
203

пример, угол выполнять с точностью ±10", что на пределе технических
возможностей. Этот угол необходимо не только точно измерить и выполнить в
заготовке ПЭ, но и сохранить на последующих этапах обработки. Поэтому
как выход из положения попользуют помимо резонаторов, укладывающих ев
в заданный температурный диапазон экстремума ТЧХ, еще и резонаторы
имеющие крутизну ТЧХ, не превышающую 1,5· 10~8 Х. *
Техника ориентации существенно упрощается, если находятся близкие к
плоскости среза атомные плоскости, для которых угол совпадает с углом ?
среза. Именно этим обстоятельством обусловлен выбор, углов ?=13°54'; 19°06'·
23°25/ при проектировании двухпозоротных срезов [16.1, 16.3, 16.6, 1, 16.31]
Соображениями по 'более надежной реализации резонаторов' продиктовав
выбор из семейства срезов ТД среза #*&//23°25734°. Этот срез прост при
рентгеновской ориентации и практически не .отличается от ориентации среза AT,
«то в значительной мере упрощает производство. В то же время у среза ТД
точка (перегиба ТЧХ смещается с 95 примерно на 10°С выше по шкале
температур. Поэтому для получения экстремума ТЧХ в пределах 80...84°С
необходимо угол среза выполнять уже с точностью ,±30", а лля интервала
температур 75 ... 85°С . ±1' (рис. 16.17),-что вполне реально в условиях серийного
производства. Смещение по углу ? до 23°25/ практически не. сказывается на
характеристиках времени установления частоты,- чувствителынюсти к уровню,
возбуждения, влияния механических напряжений на старение и т. п. [16.19].
Подобные соображения приводятся также в последних зарубежных
публикациях. Например, в [16.31] лредлагается использовать модифицированный срез-
МСЦ с углом ? = 23°25/, т. е. срез ТД, причем помимо упрощения ориентации
отмечается идентичность характеристик резонаторов СЦ и МСЦ. По сути, этот
же срез предложен в [16.32] — срез ? У с углом Р^З^О'. Его
использование позволило повысить процент выхода годных по ТКЧ резонаторов с 42 до
73% по сравнению с резонаторами СЦ.
В [16.21] описан срез С В с углом 7 = 2147'. Применение этого среза, как
я среза ТД, упрощает мразделку и ориентировку кварцевых пластин· поскольку
яри использовании.рентгеногониометров с трубкой с молибденовым анодом
Рис. 16.16. Зависимости изменения час- Рис. 16.17. Поля допусков по углу
тоты резонаторов при локальном на- среза ? в зависимости от требуемо*"
греве их пьезоэлементов постоянной го значения экстремума ТЧХ; резо
мощностью: натора ТД
ТД — сплошные линии, ИТ — штриховые
линии; I — без нагрева; 2— при мощности
0,2 Вт; 3— при мощности 0,3 Вт . =
104 -·']' "¦ ; ' '"'¦" '"'· ' ' -

имеются атомные л лоск-ости с углом ХХГ = 2\°47', Этот срез практически идеи*
гачен срезу ТТС .с присущим ему недостатком в части -необходимости
обеспечения высокой точности выполнения угла среза ?.
В целом, как справедливо отмечено в [16.33], с изобретением среза ТД
(СЦ) необходимость в исследовании и использовании других близких двухпо-
воротных срезов не отпала, ибо при этом:
изменяя угол ?, можно расширять допуски по углу среза ? для
получения экстремума ТЧХ в заданном температурном интервале;
варьируя угол ?, можно улучшить один или несколько эффектов:
амплитудно-частотный, температурно-дшзамический, шлочаетотный, фазовый шум
моды С, разделение мод В и С и др.
Согласно [16.23], например, для одного и того же угла в зависимости at
формы, геометрических размеров ПЭ, частоты' и порядка возбуждаемого
колебания точка перегиба ТЧХ смещается ют 96 до 115°. По-видимому, это
справедливо и для других параметров резонаторов двухповоротных срезов.
Утверждается, что как только будет решена проблема простого рентгеновского
контроля, а она практически близки к решению, срез ТД во многих случаях,
заменит срез AT [16.33].
Возможности дальнейшего улучшения характеристик КР двухповоротных
срезов в основном такие же, как и AT, и осуществляются в следующих
направлениях:
использования новых типов ПЭ, таких как БВА и особенно КуАС,
корпусов,., герметизируемых холодной или. лазерной сваркой или другими методам»
вакуум--плотной герметизации, изготовления резонаторов в едином
технологическом цикле, начиная с процесса нанесения электродов и кончая
герметизацией; . ;;
повышения частотного диапазона до 300... 500 МГц за счет применения
мембранных ПЭ, формируемых методами глубокого химического травления и
плазмокимичеокой обработки, причем на резонаторах ТД с нулевым значением
ТДКЧ можно достичь в десятки раз 'более высокой временной стабильности
по сравнению с'резонаторами среза AT в том же диапазоне частот;
применения пьезозлементов ТД для/ изготовления фильтровых резонаторов
и монолитных фильтров. Для той же/ частоты, полосы, обертона и площади
электродов применение среза !ТД позволяет уменьшить интермодуляционные
помехи на 6 дБ. Кроме того, такие/фильтры менее чувствительны к уровню
возбуждения. [16.34]; .· J /
использования среза ТД при/произ во детве прецизионных КР, что
позволяет улучшить практически все" характеристики опорных генераторов. В
частности, наличие резонажеа^^оды В дает разработчикам опорных генераторов
идеальный инструмент для получения точной информации о температурных
режимах на ПЭ в процессе выхода генератора на рабочий режим, температуре
на ПЭ при изменении окружающей температуры или воздействии других
дестабилизирующих факторов;
использования колебания моды В в качестве датчика температуры, что
позволяет создать систему терморегулирования КГ с очень высокой точностью
поддержания температуры,
? ¦ Литература к разделу 16
* mi6!1 тПаТ· ?774?Ип SmA- Zero temPerat^e coefficient piezoelectric crys-
tal/W. L. Ives, V. E. Bottom. y
16.2. Бехман Р., Баллато А. Д., Лукашек Т. И. Температурные
коэффициенты высших порядков для упругих констант и модулей альфа-кварца//Труды
института радиоинженеров.—-1962.—№ 8. — С 1853—1863
16.3. Дикиджи А. Н„ Дикиджи Л. Ш., Перельман Г. Г. Кварцевые
резонаторы среза ^Ь//13°547357/Электронная техника. Сер. 9. ~ 1967. - Вып. 3 ~-
vj. 1 /—25.
16.4. Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Шм Кузнецова Л. П. Прецизионные
кварцевые резонаторы срезов г/хб/^//Электронна я техника. Сер. 9 —1968 —
Ьып. 4. —- С. 3—И. . ¦ . ,
205

16.5. Lagass G. Research and development of a new type of crystal — the FC
cut//Proc. 26-th ASFC — 1972.— P. 148—151.
16.6. A. c. 474906 СССР. Способ изготовления кварцевых резонаторов/
С. Ф. Травкина, А. Е. Караульник, В. Шин, М. И. Ярославский. — Опубл. 1975.
Бюл. № 23.
16.7. А. с. 243977 СССР. Устройство для стабилизации частоты
генераторов/А. Н. Дикиджи, Л. Ш. Дикиджи, Л. Е. Ивлев и др. —Опубл. 1969, Бюл.
№ 17.
16.8. Holland R. Nonuniformly heated anisotropic plates//IEEE Trans. —
1974. —Vol. SU-21, N 3. — P. 171—173.
16.9. Ear Nisse E. Quartz resonator frequency shifts arising from electrode
stress//Proc. 29-th ASFC — 1975. — P. 1—4.
16.10. Kusters J. Transient thermal compensation for quartz resonators//IEEE
Trans. — 1976. — Vol. SU-23. -N4.-P. 273—276.
16.11. Пат. 4499395 США. Picroelectric quartz unit/A. Kahan.
16.12. Euler F., Kahan A. Harmonic and anharmonic modes of AK-cut
crystal resonators//Proc. 38-th ASFC. — 1984. — P. 150—156.
16.13. Теренько В. С, Ивлев Л. ?, О силовом коэффициенте частоты квар-
девых резонаторов// Электронная техника. Сер. 9. — 1966. — Вып. 5. — С. 45—49.
16.14. Ивлев Л. Е. Температурно-динамический коэффициент частоты и тем-
пературно-динамические характеристики прецизионных кварцевых резонаторов//
Электронная техника. Сер. 9 — 1967. — Вып. 4. — С. 20—29.
16.15. Ивлев Л. Е., Дикиджи А. Н. Влияние нестационарного теплового
режима на частоту прецизионных кварцевых резонаторов//Электронная
техника. Сер. 9. — 1968. — Вып. 4. — С. 12—22.
36.16. Поздняков П. Г., Федотов И. М. Тепловое зондирование
колеблющихся пьезоэлектрических пластин//Доклады АН СССР. — 1972. — Т. 205.—
№ 6.— С. 1339—1342.
16.17. Поздняков П. Г„ Федотов И. M.f Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пленочными нагревателями//Электронная техника. Сер. 9.— 1971.—
Вып. 4. — С. 27—37.
16.18. Теренько В. С, Багаев В. П. Влияние локального нагрева на
частоту круглых пьезоэлементов с колебаниями сдвига по толщине//Электронная
-техника. Сер. 5. — 1978. — Вып. 1 B6). — С. 34—38.
16.19. Дикиджи ?. ?? Поздняков П. Г., Теренько В. С. К вопросу
улучшения характеристик прецизионных кварцевых генераторов//Техника средств
связи. Сер. ТРС. —1982. —№ 10 C0).—С. 104—111.
16.20. Абрамзон И. В., Дикиджи А. Н. Высокостабильные кварцевые
генераторы ТД-среза/'/Техника средств связи. Сер. ТРС. — 1987. — Вып. 6. — С.
73—75..
16Л. Ефремов О. Н., Денисенко Д. Я. Прецизионный кварцевый
резонатор с пьезозлементом двухповоротного среза СВ//Электронная техника. Сер,
S. — 1988. —Вып. 1 G0). — С. 68—69.
16.22. Ballato ?., Vig J. Static and dynamic frequency-temperature behaviour
of singly and doubly rotated oven controlled quartz resonators//Proc. 32-th
.ASFC —1978. —P. 180—188.
16.23. Ballato ?., Lukaszek T. Y., Jafrate G. T. Subtile effects in highstabi-
Itity quartz resonators//Ferroelectronics. — 1982.—Vol. 43. — P. 65—69.
16.24. Pegeot C. Etude comparative entre des oscillature a quartz en couple
iAT et en coupe SC —LOnde Electriq//1979. — Vol. 59. — N 11.— P. 65—69.
16.25. Варфоломеева Г. И., Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Гистерезис
-частоты прецизионных резонаторов после температурных
воздействие/Электронная техника. Сер. 10. — 1973. — Вып. 4. — С. 22—29.
16.26. Pegeot С, Sauvage G. UHF oscillator using SC-cut quartz crystal
with lownoise performances and high long term. stability//Proc. 34-th ASFC.—
1980. — P. 233—236.
16.27. Burgoon R., Wilson R. Design aspects of an oscillator using the SC-
cut crystal//Proc. 33-th ASFC. — 1979. — P. 411—416.
'206

16.28. Багаев В. П., Косых А. В,, Лепетаев А. Н. Двухмрдовый кварцевый
генератор с цифровой термокомпенсацией/'/Электросвязь. — 1986. — № 3. — С.
48—51.
16.29. Mourey ?., Vaterkowski J. L. New design of dual-mode quartz crystal
oscillator/'Electron. Lett. — 1985. — N 5. — P. 184—185.
16.30. Kusters J., Adams C. Production statistics of SC (or TTC) crystals//
Proc. 34-th ASFC — 1980. — P. 167—174.
16.31. Knolmayer E. X-Ray goniometry of the modified doubly Rotated
Cuts//Proc. 35-th ASFC. — 1981. - P. 56—59.
16.32. Bowen C. Performance parameters of production precision crystal
oscillators. — 6 Ann. Quartz Devices Conf. — 1984. — P. 176.
16.33. Ballato A. The future of the quartz crystal industry — worldwide//Proc.
35-th ASFC. — 1981. — P. 576—582.
16.34. Howard M. D., Smythe R. C, Morley P. E. Monolithic crystal filters
having improved intermodujation and power handling capability//Proc 39-th
ASFC. -1985. -P. 491—503; spy//
РАЗДЕЛ 17.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
17.1. Общие сведения
Прецизионными называют резонаторы наивысшей -стабильности и точности,
предназначенные для таких устройств, как эталоны частоты и наиболее точные
хронометры. Сравнительно недавно такие резонаторы относились к уникальным
изделиям, эксплуатировавшимся преимущественно в стационарных условиях,,
обычно в режиме непрерывной работы. Поэтому, пожалуй, единственным
требованием ?? ним было обеспечение постоянства частоты во времени.
Требования к их габаритам, механической прочности и устойчивости, изменению ок-^
ружающей температуры не были существенны; резонаторы имели достаток
но большие габариты и требовали осторожного обращения. Чаще всего /эти
резонаторы выполнялись на частоты 100, 200, 500 и 1000 кГц в корпуса/х or,
радиоламп октальной серии (типа Ц) [б]. /
Позже, в связи с широким использованием прецизионных резонаторов в
передвижной аппаратуре различного назначения, а также общей тенденцией
к миниатюризации аппаратуры, стамиого усложнились и ужесточились условия
эксплуатации и нормы технических требований, предъявляемых к
прецизионным резонаторам. Если прежде основное внимание уделялось получению
долговременной стабильности частоты при постоянстве температуры и отсутствие
других внешних воздействий, то в (настоящее время требуется, чтобы
стабильность сохранялась в процессе и после существенных климатических и меха»
нических воздействий, после повторных включений опорного генератора,
перерывов в работе и т. н. Это потребовало повышения требований не только к
обычным параметрам резонаторов (добротность, ТКЧ, старение, точность
настройки и др.), «о и обеспечения новых дополнительных требований и учета
специфических нелинейных эффектов, называемых «тонкими» и не
принимаемых ,во внимание для обычных (резонаторов. В результате длительных и
сложных исследований резонаторов были выработаны новые
конструктивно-технологические (решения, позволяющие за последние :10 лет на порядок повысить
стабильность опорных КГ при удовлетворении весьма жестких требований
эксплуатации [17.1]. Поскольку прецизионные резонаторы используются в
опорных генераторах, кратковременная стабильность частоты которых должна быть
порядка 10~9 и лучше, .а долговременная ,не хуже 10~7... 10~8 за год, они;
должны иметь высокую добротность я очень малое значение ТКЧ при рабочей-
температуре. Поэтому обычно резонаторы работают в термостатах при тем-
20?

«пературе, [равной или близкой к температуре экстремума ТЧХ,
поддерживаемой с точностью 0,01 ... 0,00ГС.
Представление о том, что прецизионные резонаторы используются
исключительно (В режиме термоетатирования, следует считать устаревшим, поскольку
успехи в проектировании термокомленсированных генераторов позволяют
получать стабильность частоты порядка Ю-7 и лучше, и во многих случаях
заменять термостатированные КГ. ,.1:
Наряду с ужесточением требований к условиям эксплуатации
прецизионных резонаторов ужесточились требования к их габаритам, так как о;ни в
конечном счете определяют габариты, массу и потребляемую мощность
опорного -генератора в целом. Поэтому для ирецизнойных (резонаторов используют
ПЭ, совершающие колебания сдвига по толщине, у которых размером,
определяющим частоту, является толщина, ,что позволяет уменьшить размеры
резонатора. Льезозлементы чаще всего выполняются в виде плоско-, реже
двояковыпуклых линз и возбуждаются на обертонах. 'Использование ПЭ
линзообразной формы и возбуждение на обертонах обусловили прогресс в создании
прецизионных резонаторов: позволили получить добротность, близкую к предельной
для данного номинала частоты, снизить влияние системы крепления на
стабильность частоты, повысить устойчивость ,к механическим и климатическим
воздействиям [17.2]. Следующим шагом в этом направлении явилось
размещение мест крепления ПЭ в точках нулевых значений ЧСХ ,[17.3]. .И, наконец,,
за последние годы появились (конструкции БВА и КуАС (ом. разд. 16, 19), в
которых центральная рабочая зона ПЭ отделена от периферийной, используемой
для (крепления, сквозными кольцевыми прорезями, имеющими узкие перемычки
в точках нулевых .значений ЧСХ.
До последнего времени для изготовления прецизионных резонаторов
применяли срезы AT и реже БТ. Наиболее распространенным и чаще всего
используемым остался срез AT. Резонаторы этого среза обладают малой
зависимостью частоты от температуры, имеют (относительно чистый спектр.
Иногда используют срез БТ с возбуждением на основной моде или третьем
обертоне. Преимуществом резонаторов БТ является вдвое более высокая
добротность, чем у резонаторов AT, (малая зависимость частоты от уровня
возбуждения, недостатком — весьма крутая ТЧХ. Ограниченное применение нашли
резонаторы двухповоротных срезов ДП (зарубежный аналог — срез ФЦ) и ИТ.
В настоящее время перспективы улучшения резонаторов во все большей
степени связывают с применением двухповоротных срезов семейства ТД —
yxbljB2 ... 24O— C3,5... 35)' и их зарубежных аналогов срезов СЦ (см. разд. 16).
В настоящее время прецизионные резонаторы изготовляют большими
сериями, как правило, на предприятиях и фирмах, производящих опорные генераторы.
В [17.4] отмечается, что стабильность частоты прецизионных резонаторов
повышается на порядок за каждые 10 лет. Ожидается, что к 2000 г. суточная
нестабильность их яастоты достигнет Ю-12 ,[17.5].
17.2, Параметры резонаторов
Диапазон частот. Частоты прецизионных резонаторов выбирают исходя из
возможностей обеспечения наивысшей стабильности, хотя могут иметь
значение и другие факторы, к которым относятся малые габариты, специфика
использования в схемах радиоустройств и т. л. В настоящее время наибольшее
распространение получили резонаторы на частоты 5 и 10 МГц, имеющие
относительно небольшие габариты и высокую [стабильность. Иногда прецизионные
резонаторы изготовляют на частоты в диапазонах 5 ... 7 и 10 ... 15 МГц.
Прослеживается устойчивая тенденция по повышению частоты резонаторов. Это
обусловлено требованиями миниатюризации и высокой спектральной чистоты
выходного сигнала опорного генератора, которая ухудшается по мере
многократного умножения опорной частоты, часто требующегося при реализации
РЭА
Добротность — важный параметр прецизионного резонатора, поскольку от
нее в большой степени зависит кратковременная стабильность частоты,
спектральная чистота выходного сигнала опорного генератора (ОГ) и др. Поэто-
208

му .в .прецизионных резонаторах стремятся реализовать максимально
достижимую дооротность для данного номинала частоты, которая, как известно,
обратно пропорциональна частоте.
Повышение добротности резонатора достигается уменьшением потерь
анергии (колеблющегося ПЭ. Эти потери, за исключением потерь н>а (Внутреннее
трение, могут быть уменьшены соответствующим выбором конструкции и
технологии. Поэтому резонаторы выполняются вакуумными, что практически
исключает потери на акустическое излучение, ПЭ полируются, что уменьшает
рассеяние энергии колебаний в их поверхностном слое. Придание ПЭ
линзообразной формы и возбуждение на обертонах способствуют локализации
колебаний в центре ПЭ и уменьшению потерь в системе крепления. Отметим, что
в реальных схемах стабильность частоты определяется не добротностью КР,
а нагрузочной (рабочей) добротностью ОГ, которая пропорциональна крутизне
кривой реактивного сопротивления, а следовательно, обратно пропорциональна
емкости резонатора. Емкость резонатора на обертонах обратно
пропорциональна квадрату номера обертона. Поэтому в высокостабильных генераторах
предпочтение следует отдавать резонаторам, возбуждаемым на обертонах.
Зависимость частоты от температуры. Температурно-частотные
характеристики прецизионных резонаторов зависят от выбранного среза и не отличаются
от ТЧХ резонаторов широкого применения. Поскольку именно температурная
нестабильность вносит наибольший вклад в общую нестабильность частоты,
резонаторы помещают в термостаты с высокой точностью поддержания
температуры. Для достижения высокой температурной стабильности применяют
резонаторы, имеющие температуру нулевого ТКЧ выше предельной.
Температуру термостата устанавливают равной температуре нулевого значения ТКЧ и
поддерживают ее на., этом уровне в течение всего срока эксплуатации. Для
уменьшения влияния термодинамических воздействий, вызывающих
значительные изменения частоты, необходимо уменьшить не только амплитуду
колебаний температуры термостата, но и скорость ее изменения. Это налагает
жесткие требования на характеристики термостатов. Таким образом, температурная
стабильность КГ определяется не только ТЧХ резонатора, но и конструкцией
и характеристиками термостата: возможностью точной установки на
температуру экстремума ТЧХ и поддержания ее в течение всего срока эксплуатации,
амплитудой и периодом колебаний температуры в режиме термостатирования,
скоростью изменения температуры при разогреве термостата. Применение
среза ТД в прецизионных резонаторах позволяет существенно ослабить
воздействие этих факторов благодаря более пологой ТЧХ вблизи экстремума и малому
значению ТДКЧ.
При всех преимуществах термостатированных КГ, а именно в них
получают наивысшую стабильность, последние обладают и определенными
эксплуатационными недостатками, особенно заметными в связи с миниатюризацией
аппаратуры на базе широкого внедрения микроэлектроники. К ним относятся
сравнительно длительное время установления частоты после включения ОГ,
большие потребляемая мощность и габариты. Время установления частоты КГ
можно сократить при использовании резонаторов ТД, обладающих малым
значением ТДКЧ. Сокращению времени установления частоты способствует
заполнение внутреннего объема резонаторов гелием до давления 10 ... 50 Па; при
таком давлении еще не наблюдается снижение добротности и, хотя темпера-
турно-динамический эффект при этом увеличивается, наличие теплопроводной
газовой среды способствует более быстрому установлению температуры ПЭ.
Сокращению времени установления частоты способствует использование
резонаторов-термостатов, в которых на ПЭ или в объеме резонатора размещаются
нагревательный элемент и температурный датчик (см. разд. 26).
Практически мгновенной готовностью обладают тер маком пенеир о ванные КГ.
Резонаторы для них должны иметь малое значение емкостного коэффициента,
а ПЭ возбуждаться на основной моде .и реже на третьем обертоне. Более
подробно требования, предъявляемые к КР для термокомпенеированных КГ,
изложены в (разд. 14.
Уоовень возбуждения. С повышением уровня возбуждения в резонаторах:
начинают проявляться нелинейные эффекты, сопровождающиеся искажениями
амплитудной и фазовой характеристик и изменением частоты. Обусловливают-
209

Рис. 17.1. Амплитудно-частотные
характеристики резонаторов AT
(сплошные линии) и ТД (штриховые)
при различных уровнях возбуждения
Рис. 17.2. Характеристики
гистерезиса частоты резонаторов АТ5 A0-
МГц) в результате воздействия
температурных циклов —60 и +80° С
для разных вариантов крепления
ПЭ:
/ — по оси А"; 2 — под углом 30° к оси
Z'\ 3 — но оси Z'. Участок А — после
воздействия 10 технологических циклов,
участок В — контрольные циклы
ся эти эффекты нелинейностью упругих свойств кристалла, Очевидно, что эти
аномалии вносят существенный .вклад в такие важнейшие параметры ОТ, как
кратковременная и долговр ем енн а я стабильности частоты.
На рис. 17.1 .приведены амплитудно-частотные характеристики резонаторов
AT и ТД. Зависимость относительного изменения частоты от тока через
резонатор имеет квадратичный характер: Af/f=al2. Коэффициент а зависит от
порядка возбуждаемого обертона, кривизны сферического профиля, увеличиваясь
с порядком обертона и кривизной сферического профиля. Для резонатора АТ3
на 5 МГц л плосковыпуклым ПЭ и радиусом сферы 150 мм a=Q,2 А-2. На
порядок меньшее, значение имеет коэффициент а у аналогичных резонаторов
ТД. Более слабую зависимость частоты от уровня возбуждения имеют
резонаторы БТ, причем для них коэффициент отрицателен. Поэтому при
разработке опорного генератора особо высокой стабильности предпочтение следует
отдавать резонаторам ТД и >БТ.
Температурный гистерезис частоты. Под температурным гистерезисом
частоты понимается необратимое изменение частоты после воздействия на
резонатор значительных температурных перепадов (например, —60...-+80°). По
своей величине это изменение частоты сопоставимо с нормами на
долговременную стабильность частоты кварцевых резонаторов. Величина гистерезиса
частоты возрастает с увеличением амплитуды температурного перепада.
Гистерезис частоты зависит от многих факторов, одним из которых может
быть наличие и миграция остаточных газов и загрязнений в объеме
резонатора. При (Достаточно длительной работе резонатора в ЮГ при одной и той же
температуре во внутреннем объеме резонатора устанавливается динамическое-
равновесие между числом молекул остаточных газов и загрязнений,
осаждающихся на ПЭ и возгоняющихся с него, что .будет соответствовать
установившемуся значению частоты. Ори воздействии температурных циклов это равно-
210

весне нарушается: при понижении температуры преобладающим будет процесс
сорбции молекул остаточных газов ,ПЭ, при повышении — процесс десорбции.
Поскольку эти процессы носят статистический характер, .установившееся
значение частоты ОГ после температурных воздействий не будет точно
совпадать со значением частоты до температурных воздействий. Для 'резонаторов,
как показано т [17.3], гистерезис частоты обусловлен наличием и релаксацией
механических напряжений в местах крепления ПЭ. Поэтому при
.конструировании системы крепления необходимо учитывать ЧСХ и размещать места
крепления в точках ПЭ, для которых ЧСХ имеет нулевое значение. Этим удается
на порядок уменьшить величину гистерезиса частоты резонаторов. На рис. 17.2
приведены кривые гистерезиса частоты резонаторов АТ5 на частоту 10 МГц
с прямоугольными плосковыпуклыми ПЭ, имеющими контурные размеры
10x7 мм и радиус сферы 100 мм. Крепление ПЭ осуществлялось в двух
точках вдоль длины, которая выполнялась по направлениям X, Zf и под углом
30° к Z'. Замер частоты производится до и после воздействия 10
технологических термоциклов и после каждого из трех контрольных.
Механическая прочность и устойчивость. Широкое использование
прецизионных резонаторов в подвижных объектах потребовало создания конструкций,
обладающих высокой механической прочностью и устойчивостью. Основными
факторами, определяющими изменение частоты при механических воздействиях,
являются изменения, происходящие в узлах крепления ПЭ. Поэтому для
повышения механической устойчивости резонаторов необходимо размещать узлы
крепления в точках ПЭ, в которых ЧСХ имеет нулевое значение. Это
позволяет почти на порядок уменьшить уходы частоты при механических
воздействиях. Более высокой механической устойчивостью обладают резонаторы ТД,
Высокую механическую устойчивость получают на резонаторах БВА и КуАС.
Обычными для прецизионных резонаторов являются требования по
стабильности частоты в 5-Ю-8 яри воздействии вибраций до 2000 Гц и ускорений
до 10^, ударных нагрузок до 150g, линейных ускорений до 25g\
Следует подчеркнуть, что в реальных условиях механическая устойчивость
определяется не только самим резонатором, но и ОГ: его конструкцией,
способом установки резонатора. Поэтому изменения частоты резонатора от
механических воздействий при испытаниях отдельно и в составе ОГ могут
различаться на порядок. Обусловливается это как естественной амортизацией его
конструкции, так и меньшей погрешностью измерений.
Временная нестабильность частоты. При всем разнообразии требований к
прецизионным резонаторам основным остается требование высокой временной
стабильности частоты. Именно решению этой задачи в конечном счете
посвящены изыскания по совершенствованию их конструкции и технологии.
Различают кратковременную и долговременную нестабильности частоты
Под первой понимают нестабильность частоты за время от нескольких
миллисекунд до 100 с, под второй обычно суточную, месячную, годовую. Факторы,
определяющие кратковременную нестабильность частоты и методы ее
измерения, изложены в разд. 23.
Кратковременная нестабильность частоты зависит от таких параметров
регонатора, *как ТДКЧ, уровень возбуждения, ТЧХ и др. Поэтому
кратковременная нестабильность частоты ОГ с резонаторами ТД оказывается на по-
рядох выше, чем с резонаторами AT [17.6] (рис. 17.3). Старение обусловлено
многими факторами, которые были выявлены и подробно описаны в [6, 81.
В [17.7] выделены как преобладающие три .механизма изменений частоты КР
во времени:
процессы релаксации механических напряжений в узлах крепления, в
граничном слое кварц-электродное покрытие, в нарушенном механической
обработкой поверхностном слое ПЭ;
'процессы сорбции и десорбции остаточных газов и загрязнений во
внутреннем объеме резонатора;
диффузионные процессы, включающие в себя диффузию материалов
электродного покрытия между собой и в пьезокварц, миграцию дислокаций и
вакансий в (Кристаллической решетке и др.
Величина и длительность этих процессов неодинаковы и сильно зависят
даже от незначительных отклонений в конструкции и технологии. Именно этим
211

Рис. 17.3. Кратковременная
нестабильность частоты
термостатированного генератора с резонаторами AT
и ТД (частота 30 МГц)
Рис. 17.4. Графики старения и вое-
становления частоты резонаторов
АТ5 A0 МГц) для разных
вариантов крепления ПЭ:
1 — по оси X; 2 — под углом 30° к оев
Z'\ 3 — по оси Z!
обусловливается большой разброс --в -.скорости и ¦¦закономерности изменения
частоты у резонаторов одной конструкции^ -выполненных но единой технологии.
Особенно велика роль .системы крепления; [17.7—17.12]. На рис. 17.4
представлены графики .старения КР АТ5 на 10 МГц, точки крепления которых
располагались но оси X (в точках максимального положительного значения СКЧ);
по оси Z' (в-почках-максимального отрицательного значения СКЧ) и под углом
30° к оои Z' (в точках нулевых эначений характеристики СКЧ). Видно, что
в последнем случае существенно уменьшаются величина и скорость старения.
Повышение рабочей температуры способствует увеличению скорости
старения, так как при более высокой температуре интенсифицируются
релаксационные, сорбционные и диффузионные процессы. На рис. 17.5 приведена
зависимость изменения суточной стабиль^
Рис. 17.5. Зависимость суточной
нестабильности частоты от
температуры статирования резонаторов
ности частоты от температуры тер-
мостатирования прецизионных
резонаторов, полученная на основе
анализа данных многих авторов.
Конечно, приведенной зависимостью
следует пользоваться с известной
осторожностью, поскольку в ней сведены
данные по резонаторам,
отличающимся конструкцией, технологией й
режимами возбуждения.
В [17.10] приведены данные по
старению прецизионных резонаторов
АТ5 на 5 МГц. Они имели
одинаковую конструкцию, выполнены по
одной технологии и испытаны по
единой методике при температурах 50;
60 и 70 °С при мощности рассеяния
50 мкВт. За 120 дней изменение
частоты составило в среднем —0,7-10"" >
(—0,7 ... 0,9) · ГО; (—2,6 ... 3,6} -К)-7·*
В первом случае наблюдалось
только понижение частоты, во втором й
особенно третьем случаях частота од-
212

Рис. 17.6. Графики
старения
резонаторов-термостатов АТ5 A0 МГц) при
разных режимах
испытаний:
1 — в режиме хранения в
нормальных условиях; 2 — в
режиме хранения при 70 °С (по 7 ...
...9 ч в сутки;) 3 — в режиме
хранения при 70 °С
(круглосуточно); 4 — в режиме работы
по 7 ... 9 ч в сутки; 5 — в
режиме круглосуточной работы
них резонаторов повышалась, других понижалась, а у некоторых
меняла знак в процессе испытаний. Часть резонаторов находилась в режиме
хранения при температуре 25±10°С и (—30 ... + 30)°С. Изменения частоты этих
резонаторов близки к полученным при испытаниях при температуре 50°С.
На рис 17.6 приведены графики старения прецизионных резонаторов-тер--
мостатов АТ5 на частоту 10 МГц в составе ОГ при разных (режимах
испытаний. Первая группа ¦ генераторов находилась в (режиме хранения при
нормальной окружающей температуре, вторая в режиме хранения при температуре
70°С по 7... 9 ч в сутки, третья в режиме круглосуточного хранения при 70°С,
четвертая в режиме работы по 7 ... 9 ч в сутки, пятая в режиме круглосуточной·
работы. В каждой группе испытывалось не менее 10 опорных генераторов.
Отметим очевидный фактор, что скорость старения минимальна у генераторов,
находившихся в режиме хранения в нормальных условиях.-Скорость старения
увеличивается при хранении при повышенной окружающей температуре и в
режиме работы ОГ, причем в режиме хранения при 70°G. она приблизительно
совпадает со скоростью старения в режиме наработки той. же длительности.
Скорость ютарения сильно зависит от уровня возбуждения резонаторов,
поскольку при больших амплитудах колебаний интенсифицируются процессы
старения. По данным [17Л1] изменение /режима возбуждения резонаторов АТ5
на 5 МГц с 75 до 750 мкА' изменило величину месячного старения с Ы0~10
до 1,5-Ю-9.
Со старением тесно связан еще один важный эксплуатационный параметр
прецизионных резонаторов — невоспроизводимость частоты после повторного
включения ОГ. Дело в том, что после его отключения (или отключения
термостата) на .длительное время и последующего включения частота
устанавливается не сразу. Обычно требуется время от нескольких дней до нескольких
недель для ее установления, причем это установившееся значение может
отличаться от первоначального в пределах до 10~8. Это не связано с изменением'
температуры термостата, которая устанавливается за относительно короткое
время. К основным причинам, обусловливающим невоспроизводимость частоты
при повторном включении, относятся миграция остаточных газов и
загрязнений в о-бъеме резонатора при изменении температуры и режима возбуждения,,
а также изменение механических напряжений в местах крепления и подэлекг-
тродной области ПЭ.
Изменение окружающей температуры, прекращение колебаний ПЭ при вык-,
лючении генератора нарушают также равновесное 'состояние механических нап-..
ряжений под электродами и в местах крепления. При последующем включении^
генератора [будут проявляться гистерезиюные явления, по своей природе подоб-,
ные температурному гистерезису частоты, приводящие к неспроизводимоста
частоты. О величине этого вклада можно судить но данным, приведенным на;
рис. 17.4. После месячного испытания резонаторов в составе опорных
генераторов в режиме непрерывной работы последние выключались я'а 4' сут и затем-
включались вновь. У всех резонаторов с креплением по оси X наблюдалось пони-
21Э

:жен1ие частоты, доостигающее порядка 1?~8, у резонаторов с креплением по оси
?' —- ее повышение. Установившееся значение частоты при повторном (включении
.отличалось от пе^вокачального установившегося на B ... 3) ·??~8. При 'Креплении
„в (нулевых точках ЧСХ под углом 30° к оси ?' удалось в несколько раз снизить
эту невоспроизводимость частоты. Обычной величиной невоспроизводимости
частоты для прецизионных резонаторов является C ... 5) · Ю-9.
Поскольку решающий вклад в невоспроизводимоеть и время установления
-частоты вносит система крепления, высокую воспроизводимость частоты при
повторном включении обеспечивают резонаторы БВА и КуАС. По данным [17.9]
.после отключения на 24 ч опорного генератора с резонатором КуАС частота
устанавливается уже через 10 мин с точностью Ю-9 после повторного
включения генератора.
17.3. Конструкции резонаторов
Технология производства резонаторов изложена в разд. 6. Поэтому здесь
.будут кратко освещены специфические особенности технологии прецизионных
резонаторов.
Операция механической обработки завершается полировкой, целью которой
является не только удаление слоя кварца, нарушенного предыдущей обработ-
...кой, но и создание хорошо очищающейся поверхности при последующих про-
^мывках. После этого пластины тщательно -очищаются, отжигаются при 500°С
:.и иногда елаоо травятся.
В последнее время наряду с полировкой находит применение операция
глубокого химического травления в нагретом растворе бифторида аммония при
постоянном интенсивном перемешивании. При этом получается полупрозрачная
«очень равномерная скульптура 'поверхности. Имеются данные, свидетельствую-
„щие, что глубокое химическое травление улучшает частотно-временную
характеристику (ЧВХ) резонаторов.
Далее производится разметка и нанесение точек монтажа ПЭ в держатель.
Крепление ПЭ среза ТД предпочтительнее располагать по оси Z', так как при
:эгом понижается активность побочных колебаний моды В.
Для монтажа используют возжженные пятна серебряной ласты, пайкой к
которым ПЭ монтируется в держатель. Используют припои, не содержащие
легколетучих компонент. Однако серебряная паста отличается нестабильностью
свойств, что влечет за собой гиютерезисные эффекты, увеличение старения и
невоспрсизводиость частоты. Использование низкотемпературных припоев не
.'позволяет повышать температуру отжига выше 200°С, что недостаточно для
<обезгаживаняя внутреннего объема резонаторов. Последнего недостатка лишен
лметод монтажа ПЭ в держатель посредством возжженной серебряной пасты.
^Однако ему присущи остальные минусы монтажа пайкой к возжженным пятнам
серебряной пасты, вследствие чего такие резонаторы недостаточно стабильны.
Поэтому все 'большее распространение получает монтаж с использованием
напыляемых в вакууме контактных площадок (обычно еихром+меды-никель).
'Находит применение метод заращивания никелем контактной площадки с
держателем в электролитической ванне специального состава. При таком
«гальваническом» способе крепления ПЭ достигается снижение скорости старения
резонаторов из-за возможного повышения температуры отжига до 400°С.
Последующая операция — нанесение электродного покрытия —
осуществляется испарением в высоком вакууме. Металлизации предшествует операция
•тщательной очистки в ультразвуке, в депонированной воде и этиловом спирте,
в парах кипящего изопропилового спирта. Эффективным средством удаления
.органических остатков является облучение ультрафиолетовым светом. При
плохой очистке прочность сцепления электродного покрытия с кварием
недостаточная и происходит отслаивание электродного покрытия, вызывающее
большие изменения частоты, увеличение сопротивления при малых уровнях
возбуждения, что нередко является причиной отказов опорных генераторов. Для
электродного, покрытия используют, как правило, серебро, нанося его на подслой
2М

хрома, обладающего отличной адгезией к кварцу. Иногда наносят медь, шгкел!"
или золото. После этого ПЭ монтируются в корпус одним из упомянутых
ранее 'способов.
Корпус — один из важнейших элементов -конструкции (резонатора. Он
должен обеспечивать удобство крепления ПЭ и надежно защищать его от
влияния внешней среды. Как правило, прецизионные (резонаторы выполняют
вакуумированными, 'благодаря чему повышается добротность из-за исключения
потерь па излучение ультразвука, устранения воздействия влаги и кислорода
воздуха на поверхность электродов и .резонатора. Обязательным требованием
является надежная долговременная вакуум-плотность, чистота поверхностей,
малое газовыделение, возможность вакуум-плотной герметизации без
значительных температурных воздействий.
Отечественные прецизионные резонаторы выпускают в стеклянных
корпусах типов С, Э и К, имеющих более высокую вакуум-плотность и,
следовательно, более высокую надежность.
Перспективны металлические корпуса, вакуум-плотно герметизируемые хо^
лодной или. лазерной сваркой, при которой практически отсутствует нагрев
ПЭ, что позволяет существенно повысить точность настройки резонаторов·,- а-
также керамические корпуса.
Готовые резонаторы подвергают испытаниям на соответствие требованиям3'
ТУ. Нередко этому предшествуют технологические тренировки, из котарых:
следует отметить термониклы, позволяющие снизить гистерезиеные эффекты,
технологический прогон, обеспечивающий улучшение характеристик старения и1
отбраковку 'резонаторов с большой скоростью старения. Технологический про-"
гон проводят при режиме возбуждения и температуре, близких к
эксплуатационным. Длительность прогона зависит от требований, предъявляемых к
резонаторам по старению. Например, для резонаторов АТ5 на частоту 10 МГц в
корпусе типа Э длительность технологического прогона составляет 10 ... 30 сут,·
причем частота за последние 5 сут непрерывного прогона должна изменяться*
не более чем ,на 1,5· Ю-8. Прошедшие такой прогон резонаторы обеспечиваю^
старение не !более 1,5-10 за 6 мес эксплуатации и хранения. Резонаторы АТ5-
на 5 МГц в корпусах типа С после шестимесячного непрерывного
технологического прогона с нормой на уход частоты за последний месяц прогона не:
более ±10^9 обеспечивают месячную нестабильность частоты не хуже ±10-9.
Присущий резонаторам ТД недостаток, заключающийся в наличии
колебания моды В, можно исключить при возбуждении ПЭ параллельным полем в:
направлении, близком к оси X'. При зазоре между электродами в 30 ... 50 мкм!
увеличение сопротивления и индуктивности на моде С не превышает трех-"
кратной величины, не наблюдается изменения сопротивления в температурном'
интервале. Зазор можно осуществить разрезкой электродного покрытия лучом:
лазера. Типичные характеристики резонаторов ТД3 на частоту 5 МГц с
возбуждением параллельным полем приведены на рис. 17.7 и 17.8. Крепление ПЭ
осуществлялось в оптимальных точках
чех.
На рис. 17.7 представлены
типичные характеристики старения
резонаторов в первые несколько суток после их
изготовления. Суточная нестабильность
частоты 5·10~10 достигается уже на
2-е... 3-й сут. после включения ОГ без
предварительного технологического
прогона или после недельного
технологического прогона. На рис. 17.8 приведены
ЧВХ резонаторов ТД3 на 5 МГц,
прошедшие перед этим двухнедельный
технологический прогон в режиме
непрерывной работы. Обычная месячная
нестабильность частоты 10~9 достигается
Через 50 ... 80 сут. Изменение частоты
при отключении и при первом
включении генератора составляет C ... 5) · 10"9,
Рис. 17.7. Типичные характеристики-
старения резонаторов ТД3 E МГц)!
с. возбуждением параллельным полем
215*

)Рис. 17.8. Характеристики старения и восстановления частоты резонаторов ТД3
E МГц) с возбуждением параллельным, полем
шосле чего частота с точностью A... 2) ·10~9 постепенно возвращается к своему
значению до отключения генератора.
В последнее время появились конструкции резонаторов, в которых в
максимальной степени исключено влияние механических напряжений на параметры
и стабильность частоты резонаторов. Это так называемые БВА-конструкции.
В них ПЭ не имеет электродного покрытия, а возбуждается в -зазоре между
. двумя опорными дисками, .выполненными во избежание возникновения
термических напряжений из кварцевых пластин той же ориентации, что и ПЭ. На
¦внутреннюю сторону опорных дисков нанесены электроды, не соприкасающиеся
с ПЭ, Во избежание влияния системы крепления на стабильность частоты
расположенные на периферии /опорных дисков опорные точки и точки монтажа
отделены от центральной части сквозными прорезями, выполненными
ультразвуком. Пьезозлемепт опирается на опорные диски периферийной частью,
отделенной от .центральной колеблющейся зоны прорезями. Соединение центра
ПЭ с периферией осуществляется узкими перемычками, расположенными в
точках нулевых значений ЧСХ. Настройка частоты осуществляется регулированием
зазора между ПЭ и опорными дисками — электродами. Пакет из опорных
.дисков и ПЭ зажимается пружинным держателем. Резонаторы БВА позволяют
получить наивысшую на сегодня суточную стабильность частоты порядка
A ...2)· Ю-11 [34, 48].
Возбуждение в зазоре позволяет существенно увеличивать рассеиваемую
мощность резонатора. Отмечается, что изменением режима возбуждения можно
компенсировать изменение частоты в процессе старения, т. е. обеспечить очень
малый уровень старения. Однако БВАнконструкция чрезвычайно сложна для
производства (особенно настройка, осуществляемая регулированием микронных
зазоров между ПЭ и опорными дисками), требует применения сложной
громоздкой конструкции держателя, что плохо согласуется с современными
требованиями к прецизионным резонаторам. Поэтому предложены .более
технологичные и компактные так называемые :КуАС-конструкции резонаторов. В них
использована щелевая структура ПЭ, Жак и в БВА, но без возбуждения в
зазоре, а с .нанесенными на поверхность ПЭ электродами. Это позволяет
размещать его в стандартных корпусах резонаторов, обеспечивать высокую
механическую прочность и устойчивость и (реализовать большинство преимуществ,
получаемых на БВА-конструкциях, а КуАС-конструкции применять для
прецизионных резонаторов специальной техники *.
В табл. 17.1 приведены реальные параметры отечественных прецизионных
резонаторов, а в табл. 17.2 — типичные параметры и варианты реализации.
1 Аббревиатуры БВА и КуАС соответствуют аббревиатурщ BVA и QAS,
'Используемым в зарубежной технической литературе,
216

U17

218

17.4. Возможности улучшения характеристик резонаторов
Дальнейшее совершенствование прецизионных резонаторов связано как с*
оптимизацией конструкции ПЭ и держателя, так и с улучшением методов*
монтажа,, очистки, герметизации и вакуумирования.
Перспективно использование ПЭ среза ТД с креплением в нулевых точках
силовой характеристики и возбуждением параллельным полем или
перпендикулярным полем с использованием колебаний моды В в качестве
температурного датчика для системы терморегулирования опорного генератора.
Необходимо повышение номинальных частот резонаторов по крайней мере до 30 МГц,
что является настоятельным требованием разработчиков РЭА диапазона СВЧ.
Дальнейший прогресс, очевидно, связан с повышением частоты резонаторов до*
100 МГц.
Литература к разделу 17
17.1. Gagnepain J. Nonlinear properties of quartz crystals and quartz reso-
nators//Proc. 35-th ASFC. — 1981. — P. 14—30.
17.2. Warner A. Design and performance of ultraprecise 2,5 Mc quartz"
units//Bell System Technical J.— I960. — N 5. — P. 1193—1217.
17.3. Варфоломеева Г. И., Дикиджи А. Н., Дикиджи Л. Ш. Гистерезис
частоты прецизионных резонаторов после температурных воздействий//Электрон-
ная техника. Сер. 10. — 1973. — Вып. 4. — С. 22—29.
17.4. Haushi Т. Quartz crystal units meet stringent quality requirements//'
IEE.— 1980. —Vol. VI.— P. 54—57.
17.5. Ballato A. The future of the quartz crystal industry wordwide//Proc.
35-th ASFC— 1981. — P. 576—582.
17.6. Pegeot C. Etude comparative entre des oscillateur a quartz en coupe'
AT et en coupe SC//I/onde electrique. — 1979. — Vol. 59. — N 11. —P. 65—69:
17.7. Лавренцов В. Д. хМеханизмы старения кварцевых резонаторов//Элект-
ронная техника. Сер. Управление качеством, 1983. — Вып. 4 A03). —С. 26—30.
17.8. Зависимость стабильности частоты прецизионных кварцевых
резонаторов от способа крепления пьезоэлементов/А. Н. Дикиджи, Г. И.
Варфоломеева, Т. А. Татаренкова, Н. И. Алексеева. — В кн.: Пьезо- и акустоэлектрон-
ные устройства. — Омск: ОПИ, 1982. — С. 54—61.
17.9. Aubry I. Debaisieux A, Further results on 5 MHz and 10 MHz
resonators with BVA and QAS designs//Proc. 38-th ASFC. — 1984. — P. 321—324.
17.Ю.Ефремов ?. ?., Любимов Л. ?., Фомичева 3. И. Старение
прецизионных кварцевых резонаторов//Измерительная техника. — 1975.—№ 3. — С. 74.
17.11. Гербер ?., Сайке Р. Кварцевые резонаторы и генераторы —
современный уровень техники//ТИИЭР. — 1966. — Т. 54. —№ 2. — С. 5"—-19.
17.12. Смагин А. Г. О механизмах старения кварцевых резонаторов//Во-
просы радиоэлектроники. Сер. III. — 1964. — Вып. 6. — С. 5. — 19.
РАЗДЕЛ 18
МИКРОРЕЗОНАТОРЫ
18.1. Общие сведения
Достижения последних лет в области микроэлектроники позволили
значительно сократить размеры современной РЭА. Дальнейший прогресс в этой
области стал тормозиться большими размерами дискретных элементов, в том*
числе пьезоэлектрических резонаторов. Это привело к исследованиям и
организации специального производства микроминиатюрных (объемом менее 0,5 см3)
ПР. При этом ставилась задача сохранения параметров-- стабильности частоты
219*

?? эксплуатационных характеристик. Эта задача была решена благодаря раз·
витию теоретических основ конструирования и расчетов подобных изделий, а
также использованию принципиально новых технологических процессов,
оборудования и методов микроэлектроники.
Миниатюризация ПР сопровождается уменьшением числа составляющих его
конструктивных элементов. Так, при переходе от известных конструкций КР
в стеклянных корпусах типов С и Э к миниатюрным металлическим корпусам
ЧА, ЧБ, ЧВ, АА, ММ сократилось число конструктивных элементов с 25 ... 40
до 4... 10, следовательно, сократилось число технологических операций, исполь-
. зуемого оборудования, оснастки и измерительных приборов пооперационного
; контроля.
Микрорезонаторы обладают значительным преимуществом перед обычными
ПР в части эксплуатационных характеристик: -благодаря малой массе ПЭ
частоты механических резонансом конструкции обычно выше 3 ... 7 кГц. Это де-
^ лает их незаменимыми для использования в аппаратуре, подвергающейся
большим механическим перегрузкам.
За последние 10... 15 лет производство микрорезонаторов приобрело
массовый характер и составило более 80% общего объема мирового производства
;ПР. Особенно высокими темпами росло производство для электронных часов.
18.2. Микрорезонаторы изгибных колебаний
Наибольшее распространение получили микрорезонаторы изгибных колеба-
гний. Развитию исследований и производства таких резонаторов
способствовали в начале 70-х годов достижения в' области разработки технологии
массового производства микросхем, жидкокристаллических индикаторов, светоизлу-
чающих диодов, миниатюрных источников питания. Характеристики указанных
приборов позволили создать индустрию электронных часов.
Микрорезонаторы изгибных колебаний в настоящее время находят
широкое применение в различной МЭА (тактовых генераторах для цифровых прибо-
;:ров, для стабилизации частоты генераторов развертки и синхронизации вра-
г щеми я дисков видеомагнитофонов, в устройствах для электронных игр,
микрокалькуляторах, микропроцессорах и др.). Резонаторы с ПЭ -брускового типа
обладают относительно малым сопротивлением, малой индуктивностью и
достаточно широким резонансным промежутком, что позволяет применять их в
схемах .микроминиатюрных фильтров, подстраиваемых по частоте
микрогенераторах. Такие резонаторы выпускаются массовыми тиражами трех типов:
РК-72, РК-296 и РК-233 в корпусах ЧА, ЧИ, ЧЕ соответственно (см. разд. 5).
Эти резонаторы обладают чистыми спектральными характеристиками и
воспроизводимыми ТЧХ. Оригинальная система· крепления ПЭ, используемая в
конструкции типа РК-72, позволила ' уменьшить влияние
конструктивно-технологических факторов на параметры резонатора, упростить технологический
процесс и снизить их стоимость. Для достижения
низких сопротивлений зазоры между
электродами делаются по возможности малыми и
крепление ПЭ осуществляется не четырьмя,
как, обычно, а - двумя проволочными
держателями.
Колебания изгиба в ПЭ возбуждаются
компонентами электрического поля в
направлении оси X, а используемая система
электродов изображена на рис. 8.2. Типичная
ТЧХ резонаторов представляет собой кривую
второго порядка, вид которой изображен на
рис. 18.1.
Корпуса резонаторов РК-72 и РК-233
металлические. Герметизация корпуса
осуществляется с помощью лазерной сварки. Эти
резонаторы обладают высокой прочностью и
Рис. 18.1. Типичная ТЧХ мик
рорезонаторов изгибных коле
баний
<220

Таблица 18.1. Основные параметры микрорезонаторов с брусковыми
пьезоэлементами изгибных колебаний ХВ
Параметр
Номинальная частота, кГц
Точность настройки при 25±
±1°С, ?///,?10
Сопротивление, кОм
Емкостный коэффициент
Температура экстремума ТЧХ,
Коэффициент крутизны ??
°с-2
Интервал рабочих
температур, °С
Механические нагрузки:
удары, g
вибрации, g
Изменение частоты за первый
год ?///,?10-6
Максимально допустимый
уровень возбуждения, мкВТ
РК-72
32,768*
[±20
10
320
25±3
—4-10-8
10... +60
1500
5 A... 200 Гц)
±5
10 |
Тип резонатора
1 РК-296
' 32,768
±20
30
600
25±3
—4-Ю-8
—10... +60
1500
5A ...200 Гц)
±5
10
| РК-233
32,768
+20
1 30
360
25±5
—4-Ю-8
—10... +60
1500
10 A...600 Гц)
±5
10
* Резонаторы РК-72 могут изготовляться на частоты 30 ... 70 кГц.
устойчивостью к механическим воздействиям, а также малым старением
(табл. .18.1).
У резонатора РК-296 корпус металлокерамичеекий (кожух металлический,
основание керамическое). Герметизация осуществляется пайкой в вакууме. Этот
резонатор обладает меньшими габаритами по сравнению с РК-72, но
изготовляется только на одну частоту 32 768 Гц (или близкую к ней) [18.1, 18.2].
18.3. Микрокамертонные резонаторы
Значительного сокращения габаритных размеров микрорезонаторов
изгибных колебаний можно добиться при использовании ПЭ в форме камертона.
К преимуществам таких (резонаторов следует отнести малое старение и
существенно меньший по сравнению с брусковыми микр о резонаторами расход
кварца. По конетрукшвно-техноло.гическому признаку ПЭ микрокамертонных
резонаторов можно разделить на объемные и плоские. Отличительной
особенностью объемных ПЭ являются однополярные электроды на -боковых
поверхностях ножек (или плеч камертона. Толщина таких пьезоэлементов составляет, как
правило, несколько сотен микрометров, а их формообразование осуществляется
механической обработкой на проволочных отрезных станках.
Более перспективной (для многомиллионных тиражей) является
конструкция и технология плоских камертонов, характеризующаяся возбуждением
колебаний разделенными электродами, нанесенными на широкие плоскости ножек
камертона. Для снижения сопротивления микрорезонатора рекомендуется
использование «боковых» электродов, нанесенных на боковые поверхности ножек.
При этом сопротивление уменьшается в 1,5... 2 раза.
Формообразование плоских камертонных ПЭ осуществляется
фотолитографическим способом. Этот способ особенно перспективен для больших тиражей
выпуска микрорезонаторов на одну частоту. Резонаторы, изготовляемые таким
способом, самые дешевые. Микрокамертонные резонаторы могут изготовляться
на частоты 10 ... 1000 кГц, расширение диапазона частот достигается
возбуждением обертонов изгибных колебаний. Они являются самыми миниатюрными
из освоенных в производстве типов и по своим габаритам хорошо сочетаются
с микросхемами. Камертонные микрорезонаторы, как и микрорезонаторы с
221

Таблица 18.2. Параметры камертонных микрорезонаторов изгибных
колебаний
Параметр
Номинальная частота, кГц
Точность настройки ?//|,?
???-6
Сопротивление, кОм
Добротность
Емкостный коэффициент
Коэффициент крутизны ТЧХ,
оС_2
Интервал рабочих
температур, °с
Механические нагрузки:
удары, g
вибрации, g
Максимальный уровень
возбуждения, мкВт
Изменение частоты за первый
год
Размеры корпуса, мм
Объем, см3
PK-U0
32,768
±20
40
40· Ю3
550
—4· Ю-8
— 10... +60
150
5 A ...200) Гц
1
±з-ю-6
02,0X6,8
0,022
Тип резонатора
РК-206
32,768
±20
40
50-Ю3
—
—6,1-Ю-8
— 10... +60
—
— ,
1
—
02,1X6,1
0,020
РК-321Ф
, 32,768
±20
50
50-Ю3
—.
—7,5· Ю-8
— 10 ... +60
—.
—
1
—
01,53X5,1
0,009
брусковыми ПЭ, обладают высокой добротностью A00 000) в том случае,
когда внутри корпуса глубокий вакуум (порядка Ю-4 мм рт. е.).
Среди наиболее сложных технологических задач производства камертонных
микрорезонаторов стоит задача прецизионной обработки поверхности
(шлифовка и полировка) групповых заготовок толщиной порядка десятков
«.микрометров. Наличие царапин и других дефектов поверхности приводит к браку на
операциях формообразования ПЭ при селективном травлении. К кварцевому
сырью, используемому при изготовлении камертонных ПЭ методами
фотолитографии, также предъявляются повышенные требования. Определенные
сложности представляют и вопросы повышения герметичности корпусов и
совершенствование методов герметизации, особенно тех резонаторов, которые
предназначены для эксплуатации при температурах 85... 100°С. По сравнению с
микрорезонатор а ми, в которых используются ПЭ брускового типа, камертонные
имеют 'большее сопротивление, меньший диапазон перестройки и более низкий
у-р ов ень воз б у ж дени я.
В табл. 18.2 приведены наиболее распространенные типы камертонных
микрорезона торов и их основные электрические параметры и эксплуатационные
? ар актерестики.
18.4. Микрорезонаторы продольных колебаний
Наиболее распространенными резонаторами продольных колебаний
являются резонаторы XT и ЖТ. Микрорезонаторы этих типов обладают рядом
преимуществ перед другими типами в диапазоне частот 150 ...4000 кГц.
Продольные колебания могут возбуждаться как на основной частоте, так
и на обертонах.
Микрорезонаторы XT могут быть изготовлены со 'следующими
параметрами (в зависимости от частоты):
Частота 150 ... 1000 кГц
Сопротивление ¦ 0,2 ... 5 к Ом
Индуктивность . . . 1 ...30 Гн
Коэффициент крутизны ТЧХ D ... 6) ·10~8 °С~2
Резонансный промежуток 0,15...0,2%
222

Такие резонаторы могут успешно применяться в фильтрах и тактовых
макрогенераторах.
Основным преимуществом резонаторов XT является широкий резонансный
промежуток, который почти на порядок больше резонансного промежутка MP
изгабных колебаний.
В микрорезон аторя ? продольных колебаний используются вибраторы с
проволочным креплением, монолитные или цельнокристаллические вибраторы.
В разд. 19 приведены формы некоторых целБнокристалличесшх вибраторов с
элементами крепления. Микрорезонаторы XT отечественными предприятиями не
выпускаются, но могут быть разработаны и освоены в производстве при
наличии заказов.
Уникальной температурной стабильностью частоты обладают кварцевые
резонаторы ЖТ, совершающие продольные колебания по -ширине. Об ориентации
и особенностях колебаний резонаторов ЖТ см. в разд. 9.
На частоты ниже 500 кГц ПЭ среза ЖТ имеют проволочное крепление.
На частотах выше 500 кГц проволочное крепление оказывает большое влияние
на стабильность частоты, повышает сопротивление, ограничивает возможности
миниатюризаций и расширение диапазона частот.
Применение фотолитографических методов позволяет обеспечивать
формообразование кристаллическото элемента с точностью до нескольких единиц
третьего знака. Наличие в направлении длины ПЭ узловых линий (характерная
особенность рабочих колебаний ПЭ среза ЖТ) позволяет реализовать
монолитную конструкцию вибратора с держателями. Для обеспечения
стабильности сопротивления при изменении температуры в конструкцию монолитного
вибратора вводятся акустические отражатели.
На рис. 9ло представлен конструктивный вариант монолитного вибратора
ЖТ. Для прецизионной настройки частоты микрорезонаторов ЖТ на
поверхности ПЭ наносят дополнительные массы (в виде пленок металла). Их
топология и масса на поверхности ПЭ определяют величину и характер изменения
как рабочей частоты (ее повышение и понижение), так и ТЧХ.
Микрорезонаторы ЖТ характеризуются низкими сопротивлениями E0...
...300 Ом). Они относительно узкоиолосны, имеют побочные резонансы ниже
рабочей частоты. По-видимому, основное применение они найдут в КГ с
повышенной температурной стабильностью частоты на частотах 500... 2000 кГц.
Микрорезонаторы ЖТ выпускаются отечественными предприятиями в порядке
опытного производства.
18.5. Микрорезонаторы крутильных колебаний
Резонаторы такого типа предпочтительно использовать в диапазоне частот
150 ... 1000 кГц, в котором они по сравнению с другими типами имеют лучшие
электрические характеристики: меньшее значение ТКЧ и 'старение, высокую
устойчивость к механическим воздействиям, относительно низкое сопротивление
и высокую добротность. Общие сведения об особенностях крутильных
колебаний приведены в разд. 10. Насколько известно, за рубежом микрорезонаторы
крутильных колебаний не выпускаются и их разработка обязана отечественным
исследованиям и изобретениям. На основе последних 'были созданы резонаторы
крутильных колебаний объемом менее 0,15 см3 с хорошими электрическими
параметрами, нашедшие применение в РЭА ответственного назначения.
Оптимизация крепления ПЭ позволила в широком диапазоне частот B50 ...
... 600 кГц) обеспечить минимальные температурные изменения частоты. По
мере уменьшения размеров и массы ПЭ возрастает влияние различных
конструктивно-технологических факторов на электрические параметры и
эксплуатационные характеристики. Значительное повышение добротности резонатора
и снижение сопротивления достигнуто в результате крепления ПЭ в центре
торцевых граней (в направлении оси кручения) вместо традиционного
бокового крепления. Установка специальных отражательных дисков, изготовляемых
фотолитографическим способом, способствовала повышению
воспроизводимости этих параметров. Наибольшее распространение в диапазоне частот 250...
223

Рис. 18.3 Зависимость
индуктивности микрорезонаторов крутильных ко-
¦ лебаний от частоты }
Рис. 18.2 Температур но-частотные
характеристики микрорезонаторов
крутильных колебаний (слева и
справа показаны предельные
положения ТЧХ, обусловленные
технологическими разбросами
геометрических характеристик пьезоэлемента)
... 600 кГц -получили микрорезонаторы в металлическом корпусе типа ЧВ
[18.3, 18.4].
Температурно-частотные характеристики микрорезонаторов ВП достаточно
точно описываются уравнением второго порядка
(fi-fo)/Fo = <b(T~T0)*9
где /?—¦ частота, измеренная при любой температуре ? в рабочем интервале
температур; fo—-частота, измеренная при произвольно выбранной температуре
Го (обычно это температура экстремума кривой ТЧХ); а2—коэффициент
крутизны ТЧХ, '-имеет отрицательный знак и величину в пределах (—1,6...
...— 3,2)-Ю-8 °С~2.
На рис. 1-18.2 приведена типичная ТЧХ мйкрорезонатора. Границы
возможных ее изменений вследствие разбросов технологических факторов, размеров
ПЭ определяют смещением точки нулевого значения. ТКЧ порядка 5°С.
Резонаторы имеют относительно небольшую индуктивность (рис. 18.3),
которая уменьшается с повышением частоты,
Резонансный промежуток
fa — fr
-!—У— =0,08...0,1%.
/г
Добротность резонаторов колеблется в пределах 50 000 ... 350 000.
Мдарорез он а торы обладают высокой долговременной стабильностью
частоты. Изменение .частоты при температуре +60°С составлянт C ... 7) · 10™6 за
первый год эксплуатации, а в нормальных условиях меньше. Порядок значений
параметров мжсрорезонаторов приведен в табл. 18.3.
. Микрорезонаторы обладают высокой механической прочностью и
устойчивостью. Например, после воздействия вибраций с ускорением lOg-на частотах
10... 600 Гц относительное изменение частоты не превышает —2-Ю-6..
В конструкции микрарезонатора имеются два соединения, в которых могут
происходить их разрушения при воздействии высоких ударных нагрузок: мес-
224

Таблица 18.3. Основные параметры микрорезонаторов ВП (????30)
Параметры
Диапазон частот, кГц
Объем резонатора, см3
Масса, г
Интервал рабочих температур,0 С
Точность настройки при 25±1°С
Добротность
Ослабление нежелательных резонансов
в полосе —100 кГц, дБ
Коэффициент крутизны ТКЧ a2i °С~2
Значения параметров
256 ...550 (возможно 150 ... 1000)
0,3; 0,16 (для частот выше 256 кГц
не более 0,16)
Не более 0,4
—50... +85 (возможно —60... +125)
+20· Ю-6
Не менее 50 000
Не менее 40
— A,6 ... 3,2) ¦
то соединения ПЭ с держателями и место (соединения держателей вибратора
с выводами (Корпуса резонатора. Повышение механической прочности и
устойчивости (удары, вибрации, линейные ускорения) достигается уменьшением
массы ПЭ (уменьшением ею поперечного сечения). Одновременно это приводит
к увеличению зазора между кристаллическим элементом и корпусом резонатора,
что также повышает его надежность и технологичность (появляется
возможность увеличения допусков на операции сборки).
Другой путь повышения прочности крепления ПЭ достигается в результате
улучшения сцепления электродного покрытия с поверхностью кварца,
например, за счет повышения шероховатости поверхности его торцов. Несколько
повышается 'прочность крепления при увеличении дозы припоя на пайку
держателя к ПЭ и выводам корпуса. Но при этом увеличивается сопротивление
резонатора.
Микрорезонаторы ВП нашли широкое применение в полосовых
микроминиатюрных фильтрах, управляемых по частоте генераторах, различных
устройствах отсчета времени, в аппаратуре для беспроводной передали звуковых
сигналов на короткие расстояния (например, звукового сопровождения
телепередач от приемника к наушникам), в системах автоматического управления
двигателями внутреннего сгорания и др.
18.6. Микрорезонаторы контурно-сдвиговых колебаний
Особенности /контурно-сдвиговых колебаний описаны в разд. Ц и 12.
Миниатюризация резонаторов этого вида колебаний возможна на частотах выше
600 кГц. Для {микроре;зо;наторо1в используют преимущественно ПЭ в виде
длинных пластин, частота которых определяется размером ширины. Длина ПЭ
должна соответствовать одному из оптимальных отношений, для которых
сопротивление и индуктивность минимальны. При этом побочные резонансы
оказываются наиболее ослаблены. Из двух срезов контурно-сдвиговых
колебаний (ДТ и ЦТ) практическое применение получил первый, имеющий меньшее
значение ТКЧ (да. рис. 12.1). Срез ЦТ облегчает изготовление резонатора на
более высокие частоты, чем срез ДТ, поскольку его частотный коэффициент
в 1,5 раза больше. Однако вдвое большее значение ТКЧ ограничивает области
его использования. Повышение частоты резонаторов контурно-сдвиговых
колебаний может быть достигнуто в результате возбуждения гармонических
обертонов, которые возбуждаются посредством разделенных в направлении длины
электродов, что облегчает их изготовление на частоты до 4 МГц. Длинные
ПЭ имеют преимущества по сравнению с ПЭ в виде квадратных и круглых
пластин, так как позволяют осуществлять крепление ,за концы пластин, мало
влияющее на параметры резонаторов. По этой причине они используются в
микрорезонатора;х. Влияние крапления уменьшается у ПЭ, ' имеющих' форму
8—45 225

сегментов или «скосы ло краям пластины. Для таких резонаторов используются
металлические корпуса удлиненной формы: ЧА, ЧБ, ЧВ.
'Иногда для резонаторов с глубоким 'подавлением побочных резонансов
используются электроды сложной формы.
На рис. 20.5 представлены некоторые из возможных конструктивных
вариантов монолитных вибраторов с пьезоэлементами, совершающими колебания
контурн о го 'с двиг а.
Для микрорезонаторов с повышенной стабильностью .могут успешно
использоваться ПЭ в форме брусков, совершающих колебания сдвига. Открытые
советскими учеными резонаторы с такими ПЭ, известные под родовыми
обозначениями АП и БП, защищены авторскими свидетельствами в СССР,
патентами в США, Англии и Франции.
Обладая большей массой, нежели ПЭ в форме пластин, брусковые пьезо-
злементы обеспечивают малую величину старения и более высокую добротность.
Можно -предполагать, что в недалеком будущем они заменят линзовые ПЭ в
диапазоне частот 0,5 ... 4 МГц. При этом будет достигнуто сокращение объема
резонатора в 10 ... 20 раз и соответственно уменьшится расход кварца на их
изготовление.
Закономерности расположения узлов в зависимости от соотношений
геометрических размеров бруска .аналогичны .соответствующим закономерностям
для пластин, совершающих колебания контурного сдвига. Такие пьезоэлементы
особенно перспективны для конструкций, предназначенных для монтажа на
поверхность. Для уменьшения старения, улучшения м оно частота ости и
увеличения резонансного промежутка применяется частичное электродное покрытие
в местах наибольшей плотности заряда при колебаниях на рабочей моде. При
проектировании монолитных вибраторов для резонаторов с колебаниями
контурного сдвига следует осуществлять крепление за торцевые части стержней
и пластин. При таком креплении обеспечиваются более высокая механическая
прочность и малое старение [18.5, 18.3].
18,7. Микрорезонаторы толщинно-сдвиговых колебаний
В высокочастотном диапазоне A...350 МГц) наибольшее распространение
получили резонаторы с ПЭ, совершающими колебания толщинного сдвига.
Изучению этого среза посвящена большая часть работ, изобретений, патентов.
Основные закономерности, связывающие геометрические размеры, формы
кристаллического элемента .и электродов с электрическими параметрами и
эксплуатационными характеристиками резонатора AT, достаточно хорошо изучены за
последние 50 лет. Поэтому резонаторы AT применяются в широком диапазоне
частот, необходимом для обеспечения РЭА, измерительной аппаратуры,
технологических таймеров, опорных и тактовых генераторов, устройств видео- и
вычислительной техники. Миниатюризация этих устройств в значительной мере
определяется миниатюризацией кварцевого резонатора. За последнее время
появилось множество конструкций микрорезонаторов на -частоты 4...350 МГц,
в которых используются ПЭ среза AT.
Микроминиатюризация ВЧ резонаторов выдвинула новые конструкторские
и технологические проблемы: формообразования 'Кристаллических элементов,
монтажа, сборки, настройки, конструкций микрокорпусов и их герметизации
и др.
При правильно выбранных формах кристаллического элемента и
электродного покрытия, а также при соблюдении технологических припусков при
микроминиатюризации могут !быть реализованы характеристики, такие же, как и
для крупногабаритных резонаторов AT и БТ. В разд. 14 и 15 приведены
типичные ТЧХ резонаторов AT и БТ. При оптимальном угле среза для
заданного [интервала температур может быть реализована высокая стабильность
частоты. В табл. 18.4 приведены практически достигнутые значения частоты, ее
стабильности для различных рабочих интервалов температур, величины
резонансного промежутка, сопротивления {резонаторов AT и БТ.
Резонаторы БТ имеют большее значение частотного коэффициента, ^ что
позволяет при одной и той же толщине получить резонатор с частотой, в
226

Таблица 18.4. Параметры резонатора РК-351
Параметры
Значения параметров
Частота, МГц
Добротность
Сопротивление, Ом
Точность настройки
Индуктивность, Гн
Температурная нестабильность
тоты ?///,?10
Объем, см3
Механические нагрузки:
удары g
вибрация g
Старение за первый год
4 ... 20 (возможно 20 ... 300)
D0 ... 100) · 103 (в зависимости от
частоты
10... 150 (в зависимости от частоты)
+ 15-10-6
0,006 ... 0,85 (в зависимости от частоты)
—40, +20 в интервале — 40... +60 °С,
—30, +10 в интервале —30 ... +50 °С
Не более 0,17
5000
40 A ...5000 Гц)
±5· Ю-6
1,5 раза большей, чем в случае среза AT. Кроме того, в некоторых случаях
использования резонаторов в термокомпенсированных КГ предпочтение
отдается резонаторам с ТЧХ в форме квадратичной параболы, которой обладают
резонаторы среза БТ (см. рис. 15.1).
В .связи с разработкой селективных схем КГ за последние годы стали
перспективными для широкого применения высокочастотные резонаторы с двух-
поворотными ПЭ. Производство таких резонаторов требует более сложной
технология разделки кварца и точного (рентгеновского оборудования для
контроля углов среза. Однако меньшая чувствительность к (силовым (воздействиям,
в том числе крепления пьезоэлемента, обеспечивает повышенную стабильность
частоты КГ при одинаковых и даже меньших размерах резонаторов.
На частоты 15 ... 100 МГц промышленностью освоены микрорезонаторы
объемом менее 0,15 см3 в стандартных корпусах типа ММ. В них
применяются ПЭ, возбуждаемые на основной частоте, а также на третьем и пятом
обертонах. Предполагается освоение резонаторов в этих корпусах на частоты до
350 МГц. На основной частоте резонаторы выпускаются до 80 МГц. По, ряду
параметров такие резонаторы не уступают и даже превосходят крушюга'барит-
ные КР; их кристаллические элементы обработаны плазменным травлением
[18.61
Помимо микрорезонаторов с кварцевыми ПЭ за последние годы начинают
использоваться резонаторы на монокристаллах «сильных» пьезоэлектриков ТЛ
и Л ГС. В табл. 18.5 приведены (некоторые параметры высокочастотных
ТЛ-микрорезонаторов в корпусах ММ с мембранными пьезоэлементами [18.7].
Таблица 18.5. Параметры микрорезонаторов ТЛ
Параметры
Частота, МГц
Резонансный промежуток, %
Параллельная емкость, пФ
Сопротивление, Ом
Добротность
Интервал температур, °С
Изменение частоты в интервале
температур, °С
Значения параметров
на основной
частоте
32 ... 45
2,5 ... 4
1,5 ...3
20... 100
400... 500
—60...+80
б-Ю-4
на третьем
обертоне
99... 150
0,2... 0,4
—
—
600... 1000
—60...+80
55-10-*
8*
227

18.8. Некоторые особенности и перспективы развития
технологий микрорёзойайфой
Микроминиатюризация пьезоэлектрических резонаторов требует
модернизации й создания нового оборудования. При микроминиатюризации создаются
предпосылки повышения производительности, .снижения трудоемкости, но их
реализация возможна только при значительном (повышении точностных
характеристик оборудования, поскольку высокий процент выхода (годной продукции
в сочетании с высокими требованиями к электрическим параметрам и
характеристикам возможен только яри значительном абсолютном уменьшении
допусков. Ужесточение допуска приблизительно пропорционально уменьшению
габаритных размеров кристаллического элемента. Некоторые технологические
операции становятся возможными только; при применении высокоточных
автоматов. В первую очередь это относится к монтажу. Производство микрорезо-
иаторов связано со значительным сокращением их габаритных (размеров и
требует оптимизации процессов сборки и герметизации. Необходимо применение
высокотемпературных соединительных материалов (припоев, клеев, паст и т. п.)
или низкотемпературных методов герметизации (лазерная, холодная, резиетив-
ная сварка и др.). С (большой точностью необходимо выполнять отдельные
детали резонаторов.
Учитывая высокую трудоемкость изготовления и оснащения производства
прецизионными штампами и инструментом, при разработке новых конструкций
необходимо искать конструктивные решения «планарного» характера, т. е.
чтобы прецизионные детали можно было бы изготовлять с привлечением
фотолитографической и ионно-плазменной технологий. Применение этих методов
значительно снижает трудоемкость и себестоимость изделий. При этом следует
иметь в виду, что существенный эффект будет получен при введении
оптимальных партий однотипного изделия (до очередной переналадки линии на
выпуск другого типономинала). При этом необходимо обеспечить максимально
идентичные конструктивные детали и процессы их изготовления. Это
требование можно распространять на все детали резонатора, за исключением пьезо-
элемента, поскольку его размеры определяются номинальной частотой.
Достижения микроэлектроники дают возможность реализации ПЭ
практически любой формы. Это, в свою очередь, вызывает необходимость развития
теории их расчета.
Монтаж электронных компонентов на плоскую поверхность
коммутационных плат является наиболее перспективным методом сборки МЭА. Поэтому
за последние годы проводятся интенсивные исследования и разработки с целью
создания новых конструкций микрорезонаторов, отвечающих требованиям
технологии монтажа на поверхность — одного из способов его автоматизации.
Технология монтажа на поверхность (ТМП) по сравнению с технологией
монтажа в сквозные отверстия печатных плат позволят сократить на 50%
необходимую производственную площадь за счет сокращения числа
технологических операций. Этот процесс легче поддается автоматизации, хотя
стоимость автоматического оборудования и затраты на обучение персонала
возрастают. К достоинствам этого метода- сборки РЭА следует отнести также
большую функциональную плотность монтажа, существенное сокращение-табаритов
РЭА, сокращение размеров и стоимости коммутационных плат и сборки,
улучшение высокочастотных параметров (особенно при использовании ВЧ
резонаторов). По оценкам специалистов к 1995 г. по методу ТМП будет
осуществляться сборка 25'...50% МЭА.
Для монтажа на поверхность выпускаются микрорезонаторы различных
конструкций и материалов корпуса. Широко используются керамика, металл,
стекло, различные компаунды из смол. Наиболее перспективны керамика и
стекло для резонаторов с высокими требованиями к стабильности и
воспроизводимости электрических параметров: и частоты. Металлические корпуса
позволяют максимально сохранять существующие в производстве микрорезонатр-
ров процессы, и щт их применения в технологии монтажа на поверхность
иногда достаточно; формирования вывода. В производстве ПР для монтажа
на поверхность не1 освоены.
т

Смолы (и компаунды на их основе) используются реже. Они неплохо
зарекомендовали себя в производстве микросхем для монтажа на (поверхность,
но для резонаторов требуются более высокие герметичность корпуса,
теплостойкость, минимальное газовыдел ение в процессе 'службы прибора и при его
герметизации. Выбор оптимального материала корпуса определяется
требованиями к стабильности частоты ;и параметров, условиями эксплуатации и
стоимостью. Так, для прецизионных и вышкостайильных устойчивых к внешним
воздействиям резонаторов могут применяться корпуса из кварцевых пластин,
вырезанных под тем же углом среза, что и ПЭ. Для обеспечения минимальных
различий ТКЛР деталей корпуса и кристаллического элемента их ориентации
при сборке резонатора контролируются. Низкая стоимость и неплохие
эксплуатационные характеристики достигаются при использовании корпусов типа С
(герметизация стеклом). В них применяются детали корпуса из спеченного
порошкового стекла, соединяемые при герметизации легкоплавкой стеклянной
фриттой.
В керамических безвыводных корпусах со стеклянными крышками
выпускаются резонаторы на частоты 10 кГц ...20 МГц со стабильностью частоты и
уровнем параметров, не уступающим крупногабаритным резонаторам.
Стеклянные крышки позволяют применять лазерную настройку частоты. Конструкция
очень удобна для сборки ТМП.
Наименьшей толщиной обладает резонатор в стеклянном корпусе с
габаритами 8,3X3,9X0,6 мм. В этом корпусе могут изготовляться резонаторы на
частоты 10 кГц ... 2 МГц и ? ... 30 МГц.
18.9. СВЧ-микрорезонаторы
Для КФ и управляемых КГ необходимы широкополосные К'Р,
возбуждаемые на основной частоте. Однако на частотах выше 40 ... 50 МГц реализация
таких КР затруднена из-за малой толщины пластин. На частоте 100 МГц
толщина кварцевой пластины составляет всего 17 мкм. Механичеокая прочность
тонких пластин мала и требует особой осторожности при обработке и
дальнейших операциях изготовления. Это затруднение может быть преодолено при
использовании специальных ПЭ, называемых мембранными, представляющих
тонкую 'кристаллическую мембрану с внешним относительно толстым
кристаллическим кольцом или ободом. Такой мембранный элемент является
(монолитным, выполненным из цельной кристаллической заготовки, и более прочным
благодаря наличию обода.
Таблица 18.6.. Параметры кварцевых СВЧ-резонаторов
Параметры
Частота, МГц
,. ^
Обертон
Объем, см3
Точность настройки, Af/f,X
???-6
Интервал рабочих
температур, °с
Изменение частоты в рабочем
интервале температур, AfIf,X
???-6
Сопротивление, Ом, не более
' Значения параметров
РК-338
40... 60
75 ... 100
1 или 3
0,17
+30
—50-... 85
4=20
40
РК-332
30 ... 83
1
0,7
+20
—10 ...60
+20
5...20*
РК-45
15... 26
25... 75
76... 100
1, 3, 5
0,17
+ 10
—10... 60
—40 ... 70
—60 ... 85
+5
+ 15
+40
50... 100*
* В зависимости от частоты.
229

Традиционными механическими способами изготовление мембранных ПЭ*
невозможно. Их изготовляют травлением в жидком «ли газообразном трави-
теле. В последнем случае используют июни о-плазменное тра;влен,ие. Как
химическое, так и ионно-плазмениое травление потребовало многих лет эксперимент
тальных исследований, прежде чем их удалось использовать для изготовления,
мембранных резонаторов в условиях .производства. В настоящее время в
условиях опытного производства с одинаковым успехом используют оба метода
для выпуска резонаторо;в на (Частоты до 100 МГц и по мере накопления опыта
частоты мембранных КР будут повышаться. В табл. 18.6 приведены параметры
мембранных резонаторов AT в корпусе ММ.
Литература к разделу 18
18.1. Ярославский М. И., Грузиненко В. Б., Яковлева А. Н. Миниатюрные
кварцевые резонаторы для электронных часов//Электронная техника. Сер. 5. —
1973. —Вып. 1B6). —С. 38—45.
18.2. Андросова В. Г., Грузиненко В. Б. Миниатюрные кварцевые
резонаторы на частоты 30—35 кГц//Электронная промышленность. — 1974. — вып. 1
F6) — С. 9.
18.3. Грузиненко В. Б., Ярославский М. И. Кварцевые микрорезонаторы//
Электронная промышленность. — 1982. — Вып. 4 A10). — С. 6 — 7.
18.4. Григорьев Л. В., Константинов А. В., Федор ков А. П. Миниатюрные
кварцевые резонаторы на крутильных колебаниях для фильтров//Электронная
техника. Сер. 5. — 1985. — Вып. 1 E8). —С. 55—58.
18.5. Друккер Ю. М., Молоканова ?. ?., Ярославский М. И. Кварцевый
микрорезонатор РК231//Электронная промышленность. Сер. 5. — 1982. — ъып. 1
A07). —С. 15.
18.6. Прядко В. Е,, Грузиненко В. Б. Высокочастотные кварцевые
резонаторы с пьезоэлементами, обработанными плазменным травлением//Электронная
техника. Сер. 5. — 1981. — Вып. 4 D5). —С. 53—55.
18.7. Безделкин В. В., Грузиненко В. Б., Метушевский А. С. Миниатюрные
высокочастотные танталолитиевые резонаторы с пьезоэлементами типа обратной
мезаструктуры/УЭлектронная техника. Сер. 5. — 1987. — Вып. 3F8).—С 15—16,
РАЗДЕЛ 19.
БЕСКОРПУСНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
19.1. Общие сведения
В ПЭУ широко используют бескорпусные резонаторы (БР) —резонаторы
без внешней оболочки, предохраняющей их от действия внешней среды. От
внешних воздействий их предохраняют оболочки ПЭУ. Термин «бескорпусной
резонатор» возник по аналогии с другими бескорпусными компонентами,
широко используемыми в микроэлектронике. Как самостоятельные компоненты
БР возникли в результате развития пьезоэлектроники. Специалисты,
использующие БР, рассматривают их как обычные резонаторы, имеющие определенные
конструктивные и электрические характеристики и удовлетворяющие заданным
техническим требованиям. Как компоненты БР изготовляют
специализированные предприятия и сами изготовители ПЭУ. В первом случае их поставляют
по специальным техническим условиям, в которых оговорены их конструкция,
электрические параметры, методы измерений и испытаний, правила обращения,
монтажа, настройки параметров и т. п. Во втором случае необходимости в
выпуске технических условий нет, однако требования к параметрам и методы ю*
проверки должны быть указаны в технической документации.
230

Бескорпусные резонаторы нашли широкое применение в таких ПЗУ, как
простые и управляемые микрогенераторы, нестабильность частоты которых
порядка Ю-4... 10~5, а также в монолитных и гибридных ПФ.
По внешнему виду БР во многих случаях не отличается от пьезоэлемента
или пьезовибратора. Однако БР, как и другие компоненты, должен
удовлетворять определенным техническим требованиям, в то время как ПЭ является
полуфабрикатом производства и наличие технических условий на него не
требуется. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» будут использоваться ?
тексте в тех случаях, когда их следует рассматривать как детали, не имеющие
еще определенных параметров, например на разных стадиях изготовления
резонатора.
Широкое использование в ПЗУ бескорпусных резонаторов обусловлено
рядом преимуществ: малыми размерами и стоимостью, возможностями
настройки частоты и других параметров непосредственно в ПЗУ, малой
параллельной емкостью, возможностью достижения таких значений параметров,
которых невозможно достичь у микрорезонаторов. К недостаткам относится
необходимость соблюдения определенных правил обращения с ними и
предохранения от возможных загрязнений, несколько худшие характеристики
старения, чем у корпусных резонаторов. Поскольку корпус ПЗУ заполнен инертным
газом при нормальном атмосферном давлении и разрежения внутри корпуса
нет, БР имеют значения добротности, характерные для обычных герметичные
резонаторов. Невозможность или трудность повышения добротности в
результате вакуумирования общего объема ПЗУ следует также отнести к
недостаткам БР.
Классификация Б ? еще не определилась, и, видимо, потребуется некоторое
время, в течение которого выявятся их основные конструктивные
разновидности.
По конструктивным признакам БР можно разделить на следующие виды:
без элементов крепления; с проволочным или ленточным креплением; с плоским
кристаллодержателем; с рамочным кристаллодержателем; интегральные цель-
нокристаллические; интегральные, совмещенные с другими элементами,
выполняющими различные схемные функции.
Далее БР можно классифицировать по тем же признакам, что и обычные
резонаторы: по назначению, материалу пьезоэлектрика, видам срезов и
возбуждаемых колебаний, условиям эксплуатации и т. п.
19.2. Бескорпусные резонаторы без элементов крепления
Элементов крепления иногда не имеют БР толщинно-сдвиговых
колебаний. Они выглядят как обычные ПЭ прямоугольной или круглой формы с
пленочными электродами и контактными площадками. Обычно их используют на
частотах 1,5... 200 МГц. Крепление за края таких БР мало влияет 'на
частоту и сопротивление, что позволяет непосредственно монтировать их на
подложку или к выводам корпуса ПЗУ. На частотах ниже 5 МГц влияние
крепления заметно возрастает, а на частотах свыше 20 МГц пластины становятся
слишком тонкими и хрупкими, что затрудняет обращение с ними. На
частотах 1,5... 5 МГц используют так называемые полосковые ПЭ в виде узкш
удлиненных пластин с фасками на концах, крепление за которые не вносит
заметного затухания. На частотах свыше 20 МГц используют БР на обертонах,
т. е. с большей толщиной пластин. Эти факторы определяют указанные выше
ограничения диапазона частот БР этого вида.
Крепление таких БР предпочтительно осуществлять проводящим клеем
непосредственно к контактным площадкам на подложке ПЭУ. Нужный зазор
между БР и подложкой обеспечивается металлическими прокладками,
имеющими форму диска малого размера или кольца в виде отрезка тонкостенной
трубки. Если для крепления используют непроводящий клей, например
эпоксидную смолу или невысыхающий герметак, то к контактным площадкам БР
предварительно припаивают или приваривают мягкие тонкие проволочные
отводы. Отводы желательно использовать двойные, припаивая их петелькой.
231

В зависимости от формы ш .размерю© лъезоэле-
мента крепление осуществляют в двух, трех или.
четырех точках. Прямоугольные ПЭ обычно крепят
за углы. Круглые ПЭ крепят в двух или Tjpex
точках. Иногда крепление круглых ПЭ необходимо-
осуществлять в точках, точно расположенных
относительно определенных кристаллографических
направлений. В этих случаях на краях пластины нужны
соответствующие метки, которые удобно делать при
нанесении электродных покрытий. Электроды могут
быть прямоугольной или круглой формы.
Предпочтительны электроды прямоугольные, вытянутые в
направлении оси X кварца, с отношением размеров
1,26. Электродные покрытия могут быть
серебряными или медными, нанесенными на подслой хрома
или ванадия. Целесообразно наносить защитный
слой никеля гальваническим способом, осуществляя*
одновременно и настройку частоты. Контактные
площадки могут напыляться в один прием .с
электродами. Для паяного крепления серебряные
контактные площадки утолщают, наращивая
дополнительно 'слой никеля. Целесообразно также всполь-
Рис. 19.1. Бескорпусные зоваггь медь, легированную оловом, что существен-
резонаторы ВЧ без дер- но повышает 'устойчивость покрытия к атмосфер-
жателей: НЫ1М воздействиям и позволяет отказываться от
/ — контактные площадки; нанесения защитного, обычно никелевого, покрытия.
2 —знаки, указывающие На рис. 19.1 -изображены БР на высокие частоты
места крепления без держателей.
19.3. Бескорпусные резонаторы с проволочным креплением
Этот вид резонаторов используют преимущественно на частотах ниже
5 МГц, однако для монолитных фильтров иногда используют такие резонаторы,
и на более высокие частоты B5 ... 30 МГц). В зависимости от формы,
размеров ПЭ и жесткости требований к .механическим воздействиям такие БР
могут иметь два, три или четыре проволочных держателя (ДД). Проволочные
держатели изготовляют из упругого материала, например фосфористой или бе-
риллиевой бронзы, диаметром ОД... 0,2 мм. По крайней мере, два ПД
выполняют и функции отводов. Для устранения влияния крепления на частоту
и уменьшения потерь в системе крепления следует принимать специальные
меры, к которым относятся:
регламентация мест крепления ПД к установочным точкам ПЭУ;
регламентация формы и размеров ПД;
установка на ПД специальных деталей — отражателей.
(Потери в элементах крепления у НЧ резонаторов могут быть
значительны, и мерам по их ограничению необходимо уделять должное внимание.
Проволочный держатель, длина которого соизмерима с длиной волны
распространяющегося по нему упругого колебания, следует рассматривать
как механический (акустический) волновод, т. е. как элемент с
распределенными механическими параметрами — массой и упругостью. В ПД конечной
длины при возбуждении резонатора возникают стоячие волны, расположение
узлов и пучностей которых может быть установлено экспериментально или
определено расчетом [19.?].
В ПД могут возбуждаться и распространяться различные виды волн, но
-чаще всего возникают изгибные волны. Узловые точки на ПД расположены от
места соединения с ПЭ на расстояниях, равных нечетному числу размеров'
четверти упругой волны. Свободные концы ПД должны крепиться к деталям
ПЭУ (контактным площадкам на подложках, выводам корпуса и т. п.) по
возможности в узловых точках. При этом затухание, вносимое креплением,
минимально.
232

.#**
По конструктивным причинам крепление ПД в узловых точках далеко не
всегда возможно, и в этих случаях на ПД в узловых точках устанавливают
отражатели. Назначение отражателей—-предотвратить распространение и
рассеяние энергии колебаний в системе крепления. Отражатели чаще всего имеют
форму шариков или шайб. При наличии отражателей параметры БР в
меньшей мере зависят от места крепления ПД. Поэтому БР с проволочными
держателями, снабженными отражателями, более предпочтительны.
Различают два вида Б ? с ПД: с плавно изогнутыми ПД и резким их
изгибом. Изгибы ПД используют для удобства монтажа. Следует учитывать
что в изогнутых ПД расположение узлов оказывается иным, чем в прямом ПД.
Точность присоединения отражателей на ПД должна быть не хуже 1/8
размера упругой волны. Такой же допуск должен быть и для случая ПД без
отражателей при определении места их присоединения. Случайных размеров
ПД от ПЭ до отражателя или места крепления следует избегать, так как в
этих случаях могут иметь место резкое увеличение сопротивления и повышение
зависимости его от температуры.
Обычно применяют отражатели в форме дисков диаметром 1,5... 3 мм и
толщиной до I мм. В центре диска делают отверстие диаметром 0,3 ...0,4 мм.
При небольшом объеме производства такие отражатели делают точеными, при
большом—штампованными. Для облегчения вырубки отверстия малого
диаметра предусматривается утоньшение диска в средней его части. Фиксация
диска на ПД осуществляется пайкой. Доза припоя должна быть определенной
и минимальной, гарантирующей заполнение зазора между проволокой и диском.
Прямые ПД чаще крепят к вводам корпуса пайкой или сваркой. Паяные
соединения более надежны, чем сварные. При контактной сварке вследствие
деформации ПД и изменения упругих свойств в месте сварки уменьшается
прочность. Лучшие результаты дает лазерная сварка.
Для крепления ПД к подложке используют БР с изогнутыми ПД. Если БР
с прямыми ПД имеют дисковые отражатели, то последние можно крепить
непосредственно к подложке (если
диаметр дисков обеспечивает
необходимый зазор между ПЭ и
компонентами на подложке). Отражатели в этом
случае приклеивают или припаивают
к контактным площадкам. На рис. 19.2
показаны варианты БР с прямыми и
изогнутыми ПД. Для удобства
крепления ПД к подложке концы их
следует загибать под углом или;колечком.
Бели для крепления используется
непроводящий клей, то к концам ПД
припаивают тонкие проволочные
отводы для соединения с контактными
площадками. Для удобства монтажа
чк. концам ПД следует припаивать
отражательные доски, которые
удобно приклеивать к подложке.
Рис. 19.2. Бескорпусные резонаторы
НЧ:
а — с изогнутыми проволочными
держателями и отражателями для крепления
к плате; б — с прямыми проволочными
держателями для крепления к выводам
^корпуса; в — с прямыми держателями и
отражателями для крепления к плате; г —
с четырьмя держателями для крепления к
штате; д — с двумя изогнутыми
держателями и отражателями для крепления к
;плате; е — с изогнутыми в виде дужек
проволочными держателями для
крепления к плате:
i — ПЭ; 2 — дисковые отражатели; 3 —
изогнутые держатели

Число ПД может быть от 2 до 4 в зависимости ,от размеров и массы ПЭ,
а также условий эксплуатации. Расположение и форма ПД могут быть
различны и зависят от формы, вида колебаний, требований к удобству крепления и
других обстоятельств.
Резонаторы без отражателей менее предпочтительны, так как условия
крепления оказывают большее влияние на их параметры. У резонаторов с
отражателями такой .параметр, как сопротивление, приобретает вполне определенное
значение, сохраняющееся длительное время и не зависящее ог зажатия концов
ПД. Разбросы сопротивления у БР с отражателями также невелики. Если
отражателей нет, то сопротивление БР становится неопределенным, зависящим от
длины, места зажатия их в держателе при контроле параметров. Определенные
значения сопротивления БР без отражателей приобретают после монтажа их б
ПЭУ. Влияние крепления неодинаково у БР с различными видами колебаний.
Резонаторы с отражателями хороши еще и потому, что последние удобно
использовать для крепления к подложке. Не рекомендуется произвольно изгибать
ПД при установке их в ПЭУ, если нет на этот случай указания о месте и
форме изгиба.
19.4. Бескорпусные резонаторы с держателями
Определенные преимущества по сравнению с описанными выше имеют БР с
держателями. При наличии держателя облегчается обращение с БР и
упрощается их установка в корпус ПЭУ. Параметры БР с держателем имеют
определенные значения и не изменяются после установки их в ПЭУ. ,
Определились два основных вида БР: с плоским и рамочным держателем,
Резонаторы первого вида используют преимущественно на частоты до 2... 4 МГц,
Плоское основание, являющееся держателем, делают обычно из изоляционного
материала (керамики, стекла, ситалла). Для монтажа ПЭ на основании делают
контактные площадки, используя тонко- или толстопленочную технологию.
Поскольку льезоэлементы НЧ в большинстве случаев имеют форму узких пластин
или стержней, основания обычно также представляют собой узкие пластины.
Проволочные держатели ПЭ припаивают или приклеивают к контактным
площадкам основания. На основание удобно монтировать ПЭ с отражателями,
припаивая или приклеивая последние к контактным площадкам. Предпочитают
иметь два типоразмера оснований, определяемые длиной и шириной корпуса
ПЭУ. Одну из контактных площадок делают протяженной, что позволяет
монтировать на основание ПЭ разной длины. Это удобно еще и в том отношении,
что при проектировании ПЭУ оказываются заранее известны места установки БР
и расположение их контактных площадок. На рис. 19.3 схематично показан вид
БР с плоским основанием и расположением контактных площадок. На частотах
свыше 1 МГц, когда используют ПЭ^ сдвиговых колебаний © виде узких
полосок, крепление ПЭ можно осуществлять непосредственно к основанию.
Крепление оснований БР к корпусу или к подложке осуществляют клеем.
Резонаторы с рамочным основанием используют преимущественно на
высокие частоты (свыше 3 МГц). Рамки для крепления к ним ПЭ делают прямо*
угольными или в .виде -кольца из металла или изоляционного материала,
поскольку ПЭ в этом случае имеют форму прямоугольных или круглых пластин
(рис. 19.4).
Рамочные БР имеют определенные преимущества в том отношении, что
позволяют размещать под ними другие дискретные компоненты (конденсаторы,
транзисторы и т. п.). Крепление ПЭ к верхней части рамки позволяет создавать
необходимый промежуток для расположения компонентов между ПЭ и платой
ПЭУ.
(Конструкции рамочных БР разнообразны. Для круглых ПЭ в качестве
рамок часто используют отрезки круглых стеклянных или керамических трубок,
на которые вжиганием пасты наносят проводящие площадки для присоединения
ПЭ и соединений с контактными площадками на подложке ПЭУ. Пьезоэлемент
в этом случае устанавливается на торец и соединяется с ним пайкой или клеем.
Целесообразно изготовлять рамки прессовкой стекла, что позволяет сразу
получать готовую деталь нужной формы с впрессованными в нее проводниками,
234

Рис. 19.3. Бескорпусные резонаторы с
плоским держателем-платой:
а — с изогнуты держателями, припаянными к
держателю-плате; б —с отражателями,
присоединенными к держателю-плате; 1 — держатель-
плата; 2— ПЭ; 3 — контактные площадки; 4 —
изогнутые проволочные держатели; 5 —
дисковые отражатели
Рис. 19.4. Бескорпусный
резонатор ВЧ с кольцевым
держателем:
/ — ПЭ; 2 — кольцевой держатель;
3 — контактные площадки; 4 —
пайки, соединяющие контактные
площадки ПЭ и кольцевого
держателя
которые можно использовать для монтажа на них ПЭ и для схемных
соединений. Металлические кольца менее удобны, так как требуют изоляции выводов
ПЭ.
19.5. Правила обращения с бескорпусными резонаторами
При изготовлении БР специализированными предприятиями последние
обычно в технических условиях или в отдельных инструкциях, прилагаемых к ТУ,
описывают правила обращения с БР в процессе их использования. В этих
документах указывается время, которое могут находиться .Б ? на открытом воздухе
(общее время до герметизации ПЗУ), приемы обращения при монтаже и
последующих операциях, способы монтажа (пайка, сварка, приклеивание),
необходимость и допустимость очистки после монтажа, методы настройки частоты и
других параметров и характеристик. Указывается также режим различных
тренировок до и после герметизации ПЗУ.
Часто заказчики не получают от изготовителя необходимой информации по
обращению с БР в процессе производства, поскольку поставка производится без
ТУ по упрощенным техническим требованиям, в которых кроме частоты, по
существу, не указаны другие параметры.
Ниже излагаются основные требования, которых должен придерживаться
заказчик БР,
Поставка БР должна осуществляться в герметичной таре (заваренных
стеклянных колбах, запаянных или заваренных металлических коробках, вакуумиро-
ванных или заполненных сухим воздухом или инертным газом).'Желательно
применение технологической тары, предохраняющей БР от механических
воздействий при транспортировке, вскрытии упаковки и межоперационном переносе.
Заказчику целесообразно согласовать с потребителем число БР в каждой
упаковке, исходя из объема и требований своего производства. Вскрытые
резонаторы должны храниться в эксикаторах, а те, которые не были ишользованы,
должны быть закупорены в герметичную тару с сухим воздухом.
235

Резонаторы разрешается брать в руки только в напальчниках, обрези-
ненными пинцетами или вакуумным присосом.
При клеевом монтаже БР укладывается или устанавливается на
контактные площадки, на которые предварительно нанесен проводящий или обычный
клей. Марка клея должна быть точно указана и желательно согласована
с изготовителем БР. Выбор марки клея — ответственный вопрос; замены
клеев должны сопровождаться предварительными исследованиями и
испытаниями. Клеи, как лолимеризующиеся, так и на растворителях, после обычной;
сушки продолжают еще некоторое время быть источниками выделений,
могущих загрязнять БР и ухудшать старение. В ПЭУ могут быть и другие
клеевые соединения (крепление платы к корпусу и компонентов к плате).
Поэтому после клеевого монтажа БР и обычной сушки необходима
вакуумная сушка ПЭУ при высокой температуре A00... 120 °С) в течение .2 ...5
суток. При такой тренировке большая часть выделяемых продуктов удаляется
из клеевых соединений, что обеспечивает .небольшое старение БР, не
превышающее E ... 10) -<10_6 в год. Время тренировки устанавливается опытным
путем при последовательном измерении частоты через каждые 12; ч
тренировки.
Крепление к корпусным выводам не рекомендуется, кроме тех случаев,
когда внешняя цепь присоединяется к электродам ПЗ, как это имеет место
в фильтрах. В КГ присоединять выводы БР к корпусным выводам не
следует. Крепление к корпусным выводам может осуществляться пайкой,
лазерной сваркой и приклейкой, если БР имеют проволочные держатели. Пайки &
большинстве случаев нежелательны, поскольку они требуют последующей
отмывки, которая не всегда возможна из-за наличия на плате пленочных или
иных элементов, для которых отмывки нежелательны или недопустимы.
При монтаже БР с плоскими держателями на основание держателя
могут наклеиваться бобышки для создания зазора с тем, чтобы под
основанием могли быть размещены дискретные компоненты ПЭУ. Настройка
частоты БР обычно осуществляется после их монтажа в ПЭУ, при включении
питания и возбуждения колебаний. При этом частота может быть настроена
очень точно. После герметизации корпуса наблюдается незначительное
изменение частоты (обычно понижение). Рекомендуется настраивать частоту
несколько выше номинального значения с учетом ее понижения после
герметизации и последующего старения, характеризующегося понижением частотв
примерно на 10-10. Конкретные припуски на частоту при настройке
устанавливаются на основании опыта производства и зависят от типа БР,
частоты, общего уровня технологической гигиены и некоторых других факторов-.
Существенное влияние оказывает влага, адсорбируемая ПЗ, корпусом и
компонентами ПЭУ. Поэтому необходимо до минимума сократить время проле-
Живания ПЗУ с БР после сушки перед герметизацией. Особое внимание
следует уделять газовой среде при герметизации. Заполнение объема корпуса
ПЭУ должно осуществляться очищенным сухим воздухом, азотом или
аргоном (точка росы —60 °С). Влажная среда внутри корпуса приводит, как
указывалось в разд. 4, к ухудшению ТЧХ, увеличению сопротивления и даже
срыву колебаний микрогенераторов.
19.6. Требования к бескорпусным резонаторам
В числе требований к электрическим параметрам БР для генераторов
достаточно указывать рабочую частоту и отклонение ее от номинального
значения. Рабочая частота БР и допуск на ее отклонение отличаются от рабочей
частоты ПЭУ, определяются видом колебаний и методами настройки частоты.
При достаточно большой допустимой нестабильности частоты ПЭУ (порядка
±il00'!l0-6 или более) заказчик может приобретать БР, настроенные на
частоту с допуском, меньшим общего допуска на ПЭУ, с расчетом использования
их без последующей настройки после монтажа в ПЭУ. При этом следует
учитывать изменения частоты в результате монтажа, герметизации и
последующего старения.
536

Другими параметрами являются температурная нестабильность в интёр»
вале рабочих температур и^ сопротивление БР. Температурную нестабильность
и сопротивление достаточно проверять в интервале положительных
температур. О нестабильности во всем интервале температур можно судить, исходя
из типовых ТЧХ резонаторов данного типа. Могут оговариваться требования
к ослаблению побочных резонансов. Обычно для КГ достаточно ослабления
6 дБ.
Для БР фильтров указывают частоту последовательного резонанса и
допуски на ее отклонение, ТКЧ, индуктивность, сопротивление и требования к
ослаблению побочных резонансов в заданной полосе частот. С изготовителем
оговариваются конструктивные требования и рекомендации по монтажу,
настройке и правилам обращения.
Бескорпусные резонаторы с ростом объема выпуска ПЗУ будут находить
все более широкое применение, и следует ожидать не только увеличения их
выпуска, но и разработки типовых конструкций, технической документации,
отражающей их особенности и условия применения.
19.7. Интегральные резонаторы
Интегральными резонаторами (ИР) называют такие, у которых ПЭ,
детали крепления и держатель составляют одно целое и выполнены из одного
куска пьезоэлектрика. Иногда такие резонаторы называют монолитными, цель-
нокристаллическими, цельнокерамическими. По-видимому, правильнее
использовать термин интегральный резонатор, как более общий.
Впервые ИР из кварца были предложены и практически реализованы
и испытаны в конце 1950-х годов П. Г. Поздняковым, И. Г. Васиным и
Л. В. Храмовым [19.2]. Практическая реализация ИР стала возможной в
связи с использованием в кварцевом производстве ультразвуковых установок,
позволяющих сравнительно просто вырезать из кварцевых пластин ПЭ
сложной формы. Испытания образцов ИР, выполненных в 50-е годы, показали их
преимущества, особенно в тех случаях, когда требовалось уменьшить
размеры резонатора. Однако в то время проблема миниатюризации резонаторов не
стояла еще остро и такие резонаторы не нашли практического применения,
поскольку микроминиатюризация РЭА только начиналась.
В 1970-х годах на фирме «Статик» (США) были разработаны и
изготовлены микроминиатюрные ИР с использованием групповых способов
фотолитографии и травления, заимствованных из микроэлектроники. Этот метод был
использован для изготовления микрокамертонных резонаторов для
электронных часов. Вскоре ИР, изготовляемые методами фотолитографии и
травления, нашли широкое применение. Были разработаны ИР разных видов
колебаний, и в настоящее время многие фирмы выпускают их. В нашей стране
освоено производство камертонных MP для наручных часов.
На рис. 19.6 схематично показаны ИР разных видов колебаний в том
виде, как они были изображены в первых источниках [19.2, 19.3]. На этих
рисунках ИР состоят из пьезоэлемента 1, деталей крепления 2 в виде узких
кристаллических перемычек, соединяющих ПЭ с кристаллической рамкой 3,
выполняющей функции держателя ПЭ. Таким образом, ИР состоит из трех
частей разного функционального назначения: пьезоэлемента, деталей
крепления и рамочного держателя. На рис. 19.5,а—г изображены ИР соответственно
продольных изгибных и контурных колебаний. Они различаются видами
срезов, числом и расположением мест кристаллических перемычек, что
определяется требованиями к ТКЧ и расположением узлов смещений.
На рис. 19.6 изображен возможный вариант обратного расположения ПЭ
и держателя: ПЭ в виде кольца расположен снаружи, а держатель в виде
круга меньшего диаметра — внутри кольца. Крепление такого ИР в корпусе
осуществляется к держателю. На рис. 19.7 показан вариант ИР среза AT.
Позже, кроме рамочных ИР, были предложены и практически
реализованы варианты с боковым креплением держателя в виде прямоугольной
пластины, соединенного с ПЭ одной или двумя кристаллическими перемычками.
Такой ИР показан на рис. 19.5E. Чтобы передача колебаний от ПЭ в держатель
237

Рис. 19.5. Интегральные резонаторы:
?, 6, ? —с рамочным держателем; г, д — с боковым держателем;
/ — ПЭ; 2 — кристаллические перемычки, соединяющие ПЭ с держателями; 3-
держатель; 4 — боковой держатель
¦ рамочный
была незначительной, кристаллические перемычки должны иметь
четвертьволновые размеры, которые рассчитываются, как и проволочные держатели в
обычных резонаторах. Для уменьшения размеров ИР может использоваться
удлинение перемычек посредством щелей 2, как показано на рис. 19.5Д
Держатель 3 должен иметь размеры, существенно отличающиеся от размеров ПЭ
/ с тем, чтобы его собственные резонансы заметно отличались от рабочего
резонанса ПЭ. Площадь держателя может быть использована для размещения
на ней пленочных и навесных элементов, входящих в цепь кварцевого
генератора, и, таким образом, может быть реализован интегральный КГ или другое
ПЭУ. Выводы от ПЭ к контактным площадкам осуществляются посредством
пленочных отводов через перемычки на поверхности держателя. Интегральные
резонаторы изготовляют как бескорпусные компоненты, так и в миниатюрных
корпусах. В последнем случае в корпусе создается разрежение, повышающее
добротность и уменьшающее сопротивление ИР.
К интегральным резонаторам относят также резонаторы с пленочными
элементами, например пленочными резисторами и датчиками температуры, и
Рис. 19.6. Интегральный резонатор
НЧ с кольцевым ПЭ A),
кристаллическими перемычками B) и
держателем C)
238
Рис. 19.7. Интегральный резонатор
ВЧ с кольцевыми прорезями,
отделяющими ПЭ / от держателя 3;
2 — перемычки; 4 — электрод ПЭ с
контактной площадкой 5

многочастотные резонаторы, осуществляемые в виде щелевых структур [19.4].
Технология ИР, основанная на фотолитографии и травлении, имеет рял
особенностей и ограничений, обусловленных анизотропией кристалла и
наличием различных дефектов строения (включений, дислокаций и пр.). Для
производства ИР требуются специальные особо чистые кристаллы, имеющие
минимум дефектов роста и подвергнутые последующей электроочистке.
Травильные растворы далеко не одинаково растворяют поверхности кристаллического
элемента, имеющие разную ориентацию. Большое значение имеет качество об
работки (полировки), очистки от загрязнений на адгезию и устойчивость
наносимых на ПЭ пленочных покрытий, играющих роль масок. Тем не менее
трудности этой технологии преодолеваются н имеются все основания считать,
что в дальнейшем она станет основной в производстве MP.
Следует иметь в виду, что по некоторым параметрам ИР уступают обычным
миниатюризированным резонаторам. У некоторых типов резонаторов
сопротивление оказывается слишком высоким, что затрудняет согласование с интегральны?^
и гибридными схемами ПЭУ, в которых они используются. Наблюдается также
сужение резонансного промежутка, обусловленное увеличением емкостного
коэффициента из-за более быстрого уменьшения емкости относительно параллельной
емкости, которая образуется паразитными монтажными и нагрузочными
емкостями.
Интегральные резонаторы, дополненные элементами другого
функционального назначения. Другой вид ИР составляют устройства, у которых ПЭ
совмещен с элементами другого функционального назначения. У таких резонаторов
на поверхностях ПЭ размещены пленочные или навесные элементы, входящие
в состав того или иного ПЭУ. Насчитывается большее число таких
резонаторов различного назначения, позволяющих улучшать те или иные
характеристики ПЭУ. Известны и нашли применение в генераторах и фильтрах ПЭ с
нанесенными пленочными резисторами и конденсаторами, что позволило создать
кемпактные интегральные генераторы и монолитные фильтры.
Пленочные резистивные элементы на кварцевых пластинах используют ?
миниатюрных резонаторах-термостатах высокой стабильности. Иногда их
совмещают с пленочными электродами. Пленочные резистивные элементы с
большим значением ТКС наносят на ПЭ в качестве датчиков и регуляторов
температуры. Для термокомпенсированных КГ резонаторы иногда выполняют,
размещая варикап на поверхности ПЭ, что улучшает температурно-динамические
характеристики генератора. Грубое термостатирование может быть
реализовано у КР с пленочными резистивными нагревателями на ПЭ, выполняющими
одновременно и функции одного из электродов (рис. 19.8). Такие электроды-
резисторы выполняются нарезкой пленочного покрытия, например лазером.
При питании нагревателя от источника постоянного напряжения, например от
того же источника, которым питается КГ, может быть в несколько раз
уменьшена температурная нестабильность частоты (ТНЧ) резонатора и достигать
Рис. 19.8. Пьезоэлемент с
пленочной структурой,
выполняющей функции электрода и
нагревателя:
a — общий вид ПЭ; б — схемное
изображение
резонатора-термостата с совмещением функций
электрода и нагревателя; / —
кварцевая пластина; 2 —
электрод-нагреватель; 3 — контактная площадка
239

10~е в широком интервале температур (см. разд. 13 и 16). Технология
микроэлектроники позволяет осуществлять ПЭ с электродами сложной формы, чтс
существенно улучшает некоторые характеристики резонаторов, в первую
очередь спектральные.
Сложная структура штыревых электродов позволяет эффективно
возбуждать только один из гармонических обертонов ПЭ толщинно-сдвиговых
колебаний при достаточном ослаблении других, а также и основного колебания.
Подробно этот тип резонаторов, используемых как бескорпусные в ВЧ кварцевые
генераторах, описан в разд. 20.
Интегральные резонаторы с совмещенными функциями преимущественно
выпускаются предприятиями для собственных нужд и редко поступают нг
рынок. Исключение составляют, пожалуй, только резонаторы-термостаты, но *е
объем их продаж далеко не удовлетворяет спрос. Увеличение объема выпуска
сложных интегральных устройств пьезоэлектроники требует соответствующегс
технологического переоснащения кварцевого производства.
Литература к разделу 19
19.1. Sykes R. Principles of mormting quartz plates//Quartz Crystals foi
Electrical Circuits, ed. R. Heising —New-York, Van Nostrand Сотр., second
printing.—1947. —P. 267—289.
19.2. A. c. 125821, СССР. Пьезоэлектрический резонатор/П. Г. Поздняков.—
Опубл. I960. Бюл. № 3.
19.3. Заявка на изобретение № 631896 от 25 июля 1959 г./Пьезоэлектриче-
ский элемент/П. Г. Поздняков, И. Т. Васин, Л. В. Храмов.
19.4. Поздняков П. Г. Влияние упругих связей на характеристики резона-
торов//Электронная техника. Сер. 5 — 1988. —Вып. 3G2). —С. 53— 65.
РАЗДЕЛ 20.
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ С СЕЛЕКЦИЕЙ МОД ДЛЯ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
20.1. Общие сведения
Реализация высокочастотных кварцевых генераторов и устройств селекциь
связана с применением кварцевых резонаторов AT, возбуждаемых на
обертонах. Устройства этого типа содержат колебательные контуры, осуществляющие
селекцию нужного обертона. Наличие катушек индуктивности и подстрочные
схемных элементов затрудняет микроминиатюризацию устройств, ведет к
дополнительной нестабильности частоты. Освободиться от указанных недостатков
позволят специальные кварцевые резонаторы, в которых осуществлена
селекция мод акустических колебаний [20.1].
Резонаторы с селекцией мод отличаются от обычных лишь формой
электродов, однако заложенный в них принцип работы потребовал пересмотреть
сложившийся подход к обеспечению моночастотности резонаторов ? их расчет
Оказалось целесообразным использовать в качестве рабочего колебания
высший ангармонический обертон вместо основного гармонического обертона.
Метод селекции мод основан на принципе захвата энергии в акустическом
волноводе. Он сводится к обеспечению режима стоячих волн (захвата энергии)
для используемого обертона и режима бегущих волн (отсутствие захвата) на
низших обертонах и основной частоте.
Резонаторы с селекцией мод могут применяться в качестве бескорпусныз
компонентов гибридных микросхем или микросборок. При невысоких
требованиях к стабильности частоты, резонаторы, герметизируются в составе
микросхем, ячеек или блоков МЭА. На частотах выше 60 ... 80 МГц и при повышен*
240

«ых требованиях к стабильности частоты резонаторы вакуумируются
отдельными стеклянными крышками, соединяемыми с помощью тонких слоев
легкоплавкого стекла с ситалловыми или поликоровыми подложками, на которые
закреплены ПЭ.
Серийный выпуск резонаторов с селекцией мод промышленностью не
освоен. В этой связи ниже приведены основные расчетные соотношения,
облегчающие разработку резонаторов частного применения на предприятиях,
располагающих микроэлектронной технологией.
20.2. Простейший резонатор с селекцией мод
В кварцевых резонаторах используются обертоны колебаний сдвига по
толщине. Пучности этих колебаний расположены вдоль толщины пьезоэлемента
внутри объема, недоступного для расположения возбуждающих электродов,
поэтому методы зарядовой компенсации низших мод, широко применяемые в
резонаторах контурно-сдвиговых или крутильных колебаний, оказываются
неосуществимыми. Однако, используя принцип захвата энергии, можно добиться
подавления низших толщинно-сдвиговых мод в резонаторе, изменяя лишь форму
и толщину электродов на его поверхностях. Для иллюстрации этого эффекта
обратимся к изображенным на рис. 20.1 условным спектрам колебаний
резонаторов.
Рис. 20.1,а соответствует неметаллизнрованной кварцевой пластине,
имеющей для каждого нечетного обертона свою резонансную частоту fna '(здесь и
далее частоты с верхним индексом ? относятся к д-обертону).
При нанесении на пластину металлических электродов (рис. 20.1,6)
резонансные частоты f% несколько понижаются, а при разделении электродов
на две равные части (рис. 20 Л,в) образуются акустически связанные
резонаторы, спектр колебаний которых состоит из нижних fnH и верхних fnB частот
связи. Рис. 20.1,s соответствует связи порядка критической, используемой,
например, в монолитных фильтрах. Положение верхних частот связи /%
определяется степенью акустической связи между резонаторами, которая
уменьшается с ростом номера обертона. При неизменных толщине и форме исходного
электрода коэффициент акустической связи для данного обертона
определяется зазором g, разделяющим электрод.
Рис. 20.1,г соответствует зазору gy много меньшему исходного размера
электрода а; при этом реализуется сильная акустическая связь. В этом случае
разность частот /%—f% значительно превышает резонансный промежуток
пьезоэлемента, а сама частота fnB располагается выше критической f%. Условия
Рис. 20.1. Спектры колебаний одиночных и акустически связанных резонаторов
241

для захвата энергии отсутствуют, и колебания с частотами }пв на низших
гармониках существуют в виде бегущих волн. Добротность такого резонатора
целиком зависит от характера закрепления пластины и может быть сделана
произвольно низкой.
С повышением номера обертона акустическая связь между резонаторами
ослабевает и разность частот fnB—/% уменьшается. Практически это приводит
к тому, что на некотором высшем обертоне частота fnB становится ниже
частоты fns, активная область резонатора приобретает акустическую развязку ??
краев пластины и резонатор имеет высокую добротность. Осуществив
антипараллельную коммутацию электродов (рис. 20.1,а), можно подавить на всех
обертонах симметричные моды с частотами /% за счет зарядовой компенсации
и получить резонатор с необходимыми свойствами. Резкое нарастание
добротности и минимум динамического сопротивления резонатора на заданнОхМ
обертоне обеспечиваются расчетом его конструктивных параметров: размеров,
формы и толщины электродов.
Исследования показали, что крутизна селекции обертонов в простейшем
резонаторе с селекцией мод достаточна для создания высоконадежных
безындуктивных кварцевых генераторов на частотах до 60 ... 80 МГц. В качестве
рабочего колебания в этом случае используется первый ангармонический
обертон. На более высоких частотах следует использовать ангармонические
обертоны более высоких порядков, т. е. увеличить число разрезов электрода
резонатора.
Следует отметить, что -на практике, связанной с разработкой
генераторных кварцевых резонаторов толщинно-сдвиговых колебаний, сложился подход,.
согласно которому полезными колебаниями считаются лишь гармонические
обертоны. Выработаны критерии моночастотности, позволяющие максимальна
ослаблять ангармонические обертоны в спектрах колебаний. Для резонаторов
с селекцией мод критерии моночастотности выглядят иначе и направлены на
подавление всех гармонических и побочных ангармонических обертонов, leo-
регические и экспериментальные исследования подтверждают, что такой
подход не ведет к ухудшению динамических параметров или стабильности
частоты резонаторов, однако в ряде случаев требуется коррекция угла среза кварца
для получения оптимальных ТЧХ.
20.8. Практические конструкции резонаторов и их параметры
Типичная форма электродов резонатора с селекцией мод напоминает
встречно-штыревой преобразователь приборов на поверхностных акустических волнах
(ПАВ) (рис. 20.2,а). В области перекрытия верхнего и нижнего электродов,
имеющих форму штырей, формируется поле для возбуждения
ангармонического обертона m-го порядка, причем число т совпадает с числом разрезов
электрода вдоль узловых линий механических смещений. Пьезоэлемент имеет
четыре контактные плсщадки, позволяющие осуществлять необходимую ко*:/'у-
тацию электродов с целью получения двухполюгннка (рис. 20 2,6). Для фер-
1 1 ? J
*)
Рис. 20.2. Конструкция резонатора с селекцией мох (а) и схема коммутации
электродов (б):
/ — электроды; 2 — демпферы; 3 — контактные площадки а
242

Рис. 20.4. Зависимости динамической
индуктивности, мГн, резонатора с
селекцией мод A) и резонатора
обычного типа B) от номера обертона
Рис. 20.3. Экспериментальные
зависимости динамического
сопротивления резонаторов AT с селекцией
мод на частоту J 00 МГц A) и 150
МГц B) от номера обертона.
Штриховая линия — аналогичная
зависимость для резонатора обычного типа
мирования электродов используются процессы двусторонней фотолитографии ъ
масочная технология напыления.
На рис. 20.3 изображена зависимость сопротивления резонаторов AT с
селекцией мод от номера обертона. Рабочие частоты резонаторов АТ5 100 МГц
и АТ7 150 МГц. Для сравнения там же приведена аналогичная зависимость
для резонатора AT обычного типа на частоту 100 МГц, имеющего равную
площадь электродов.
Необходимое ослабление низших обертонов определяется назначением
резонатора. Для его использования в генераторе достаточно обеспечить
подавление ближайших низших обертонов в пределах 3 ... 6 дБ; при этом подавление
основной частоты обычно достигает 40 ... 50 дБ. В специальных случаях
подавление низших мод можно значительно увеличить, обеспечив низкодобротное
(вязкое) закрепление пластины в держателе. Той же цели служат
напыляемые на одну из сторон пластины демпфирующие электроды, показанные на
оис. 20.L Они представляют собой электрически изолированные слои металла
толщиной 0,5 ... 1 мк-м, расположенные вне зоны локализации рабочего
колебания. На побочных модах в демпферах происходит поглощение энергии
бегущих волн из-за потерь в металле.
На рис. 20.4 приведены зависимости индуктивности от номера обертона
для резонатора с селекцией мод и резонатора обычного типа. Видно, что для
первого наблюдается довольно резкое уменьшение индуктивности с ростом
номера обертона. В обычных резонаторах имеет место противоположная
зависимость. На обертонах выше используемого, когда механизм селекции мод
практически перестает действовать, зависимость индуктивности от номера
обертона имеет такой же характер, как и для резонаторов со сплошными
электродами.
Спектральные характеристики резонаторов с селекцией мод также
отличаются от обычных. На рис. 20.5 изображены спектры колебаний на рабочем
обертоне резонаторов AT, возбуждаемых на ангармоническом и гармониче-
243

Рис. 20.5. Типичные спектральные
характеристики резонаторов,
возбуждаемых на ангармоническом (а) и
гармоническом (б) обертонах
Рис. 20.6. Экспериментальные темпе-
ратурно-частотные характеристики
резонатора для различных мод:
1—п=\\ т = 0; 2—п=Ь\ т=0; 3—п=5;„
т=5
ском обертонах. Видно, что в резонаторах с селекцией мод имеются побочные
колебания, расположенные по частоте как выше, так и ниже используемого,
Подобные спектры имеют, например, резонаторы ДТ, возбуждаемые на
обертонах. Однако в отношении уровня подавления побочных колебаний
резонаторы с селекцией мод не уступают резонаторам AT обычного типа, имеющим
аналогичные динамические параметры.
Структура, изображенная на рис. 20.2,а, является четырехполюсником к
допускает как антипараллельное, так и параллельное включение локальных
резонаторов. В первом случае в резонаторе возбуждается ангармонический
обертон и .проявляется эффект селекции мод. Во втором случае в резонаторе
возбуждается гармонический обертон. Это позволяет сравнивать параметры
резонатора на различных модах. В качестве примера на рис. 20.6 приведены ТЧХ
одного и того же резонатора, возбуждаемого на первом (/), пятом обертонах
B) и пятом ангармоническом обертоне пятой «гармоники» C). Величина
коррекции угла среза ??, необходимая для получения оптимальной ТЧХ, зависит
не только от номера ангармонического обертона, но ? в значительной степени
определяется расположением и размерами демпфирующих слоев, формой и
толщиной электродов, характером закрепления пьезоэлемента и другими
особенностями его конструкций. Это затрудняет получение величин ?? расчетным
путем. Экспериментально найденные значения ?? равнялись 1... 3 мин для
т=3 ...7 в диапазоне частот 60 ...200 МГц.
Технология изготовления резонаторов имеет ряд особенностей. Наилучшим
образом для реализации топологии электродов подходят прямоугольные
пластины 6X8 мм. Однако при конечной толщине пластины менее 80 мкм выход
годных после операции шлифовки и полировки резко снижается. Это
обусловлено возникновением изгибных деформаций прямоугольной пластины в
процессе обработки при использовании лавсановых кассет весьма малой толщины
(до 25 мкм). При этом возрастает неоднородность пластин по толщине и
возникают микротрещины, приводящие в ряде случаев к разрушению пластин.
Для резонаторов с селекцией мод допустимая неоднородность по толщине
пластины в активной зоне составляет около 0,35 мкм, причем существенными
оказываются даже локальные колебания эффективной толщины, вызванные
244

fs
Таблица 20.1
(/«-/И )//.,%
Рабочая частота
резонатора, МГц .
. Припуски частоты на металлизацию
? ?,?...о,б
30...50
0,15...0,5
50...80
0,2...0,45
80...120
0,25.
120.
.0,35
.200
24S
ориентацией блоков в кварце и другими дефектами. В связи с этим для
резонаторов на частоту свыше 100 МГц целесообразно применять круглые
пластины диаметром 6 мм с льгской около 0,2 мм. Лыска необходима для
обеспечения точной ориентации электродов относительно осей кварца. w
Для формирования электродов разработаны операции двусторонней
фотолитографии. Масочное напыление используется на этапе нанесения на пластину
электродных, демпфирующих слоев, контактных площадок, а также Р^ерных
меток для совмещения фотошаблонов. Реперные метки наносятся на одну из*
сторон пластины одновременно с напылением демпферов и контатк™ ^
щадок. Число разрезов электрода всегда следует выбирать нечетным
поскольку только в этом случае обеспечивается полная грядовая кошенсаци*
гармонических обертонов. Величина зазора между штырями должна удовлет
яппять неравенству Ж0.01 я, где а —размер электрода в направлении, пер-
^1^^ГЛ^разр^ На частотах" свыше 100 МГц предпочтитель-
на ориентация линий разреза электрода вдоль оси I .
20.4, Основные расчетные соотношения
Задача расчета резонатора с селекцией мод сводится к нахождению
размеров, толщины и формы электродов, удовлетворяющих заданным
динамическим параметрам на рабочем обертоне и обеспечивающих необходимое
подавление колебаний k ближайшего побочного (п—&)-то обертона. Ввиду
некоторого технологического разброса величин добротности Q и сопротивления
резонаторов Ri в процессе их производства расчетный коэффициент & = 20 \g Rin-2f
Rn является ориентировочным и должен выбираться с запасом.
Имеющиеся технологические и физические ограничения на ряд
конструктивных характеристик высокочастотного резонатора позволяют задаваться
этими несвободными параметрами при расчете топологии электродов. Одним из
таких параметров является толщина электродов, ограниченная снизу
омическими потерями и ухудшением стабильности тонких пленок металла, а сверху —
потерями на вязкое трение. Оптимальные припуски частоты под металлизацию
для алюминиевого электрода (/s-~/M)//« в процентах могут быть выбраны из
табл. 20.1.
Площадь перекрытия верхнего и нижнего электродов s определяется из
соотношений
^^KlHVs; 'I : B0.1)
R^ctL^Q, ; B0.2)
где h — толщина кварцевой пластины; Kl — коэффициент индуктивности,
соответствующий используемому обертону.
Коэффициент k зависит от затухания в демпфере d расстояния / между
электродом и демпфером и постоянной распространения во внеэлектродной
области на {п—?)-м обертоне:
к = 20 lg 2d Q (? - 2J e-2?/M2; B0.3)
;;; ¦ ?^^?^2)??^?^??_2-^^-I/2, сим*
где ???_2 ~ ^^ ~ нормированная частота резонатора на (/г—2)-обер-
/S

-тоне; h — толщина кварцевой пластины; су> сх — скорости сдвиговых волн вдоль
-осей у и х.
Оптимальная величина
/ = ,n'W/2e'· B0·5)
*где ?' = (су ? пу2 /сх К) ? ?? J — постоянная распространения для
рабочего обертона.
При расчете топологии электродов необходимо знать взаимосвязь между
нормированной частотой ? и обобщенным номером обертона
У 2)
? =
(fs-M F2
?1——· B0*б>
Параметры б и ? связаны между собой трансцендентными дисперсионными
-уравнениями для обертонов [20.2]. С целью упрощения расчетов можно
воспользоваться следующими аппроксимациями, достаточно точными для
положительных значений б:
? = 1/3,5[1?(? + 2)— 1,1] + 0,514 при /и— 1; B0.7)
?= 1/3,5[1?(? + 4)— 1,61] + 2,0 при т = 3; B0.8)
?= 1/3,5[1?(? + 7)~2,08]+3,14 при т = 5; B0.9)
?= 1/3,5 [In (б+ 9) — 2,30]+ 4,57 при m = 7. B0.10)
Использовать ангармонические обертоны более высокого порядка
нецелесообразно из-за возможного ухудшения моночастотности резонатора.
Значение ? на (п—2)-м обертоне может быть определено по заданному
коэффициенту k из B0.3)
?= — ln[\0°>05k n*/2Qd(n — 2)*e2/], B0.11)
где Q — усредненная добротность резонатора на рабочей частоте, определяемая
уровнем технологии, способами герметизации и крепления. В диапазоне
метровых волн для вакуумированных резонаторов Q ==E0 ... 150) · 1С3. Величину d
можно найти, вычислив потери на вязкое трение в металле демпфера либо
экспериментально, измерив добротности резонаторов на паразитных модах. Для
-эффективной селекции мод достаточно двух алюминиевых демпферов
толщиной около 1 мкм и суммарной площадью примерно равной площади электрода.
При этом ^= @,5 ... 1,5)·10~4.
Далее определяем требуемый размер электрода а в направлении,
перпендикулярном узловым линиям обертонов по формулам:
?(?_2) = [h ?0!л (? - 2) УЩ - /м)//0]2; B0,12)
ах, ? = Л v(„_2)/(« - 2) У2 (/8 - fM)/fs. B0.13)
Найденное значение ах и az следует умножить соответственно на
коэффициент Сх/Су или cz/cy в зависимости от выбранной ориентации узловых линий
•смещений.
Приведем числовой пример расчета топологии электродов. В качестве
исходных данных имеем: рабочая частота /=100 МГц; номер используемого
обертона л = 5; сопротивление /?? = 50 Ом; подавление колебаний на третьем
¦обептоне k=\2 дБ.
Площадь электродов резонатора, определенная по формулам B0.1) и B0.2)
с учетом технологического запаса, s —3.7 мм2. Вычисляем ? и /, полагая ?? —
= 0,6; (fs—fM)/fe = 0,3 %, /? = 0,083 мм; ?*=10; Q-100· ??3:
(nncyV2Jczh)^nf±j^y2 =7,38;
246

Рис. 20.7. Нормированные частоты Рис. 20.8. Микрорезонатор для плос-г
резонаторов на ангармонических кого монтажа
обертонах:
—1—7П=1; 2—т=3; 3—т=5; 4—т=7; 5—
т = 9
/ = 0,36 мм. Для третьего обертона вычисляем постоянную распространения ? ш
нормированную частоту ??-2 л о формулам B0.11) и B0.12)
?= 1,31; ?{?_2)^ 0,022.
Размер электрода ?? находим с помощью аппроксимаций B0.7) — B0.10)
или графиков на рис. 20.7 и по формуле B0.13). Следует отметить, что
заданному коэффициенту k всегда отвечает бесконечное число пар значений а и·
т. Практически следует выбирать минимальный номер т, при котором разме·
ры электрода аг по оси ? и ах по оси ? отличаются друг от друга не более
чем в 1,2... 1,8 раза, а общая площадь перекрытия верхнего и нижнего
электродов ???? соответствует найденной площади s. В данном случае при т=>3
из B0.8) и B0.13) имеем
V(ft_2) = 3,31; ?? = 1,82 мм; ах = s/az — 2,03 мм.
В практических конструкциях резонаторов демпфирующие электроды могут
использоваться для крепления пьезоэлемента в держателе с помощью пайки
или ультразвуковой сварки. Демпферы могут вообще отсутствовать, если
затухание в точках крепления достаточно велико, а местоположение этих точек*
контролируется с необходимой точностью.
Для резонаторов с селекцией мод могут использоваться стандартные
стеклянные и металлические корпуса соответствующих размеров или специально
разработанный планарный корпус, вид .которого изображен на рис. 20.8. Можно
использовать и бескорпусный вариант использования этих резонаторов, одно-
ко большие удобства для потребителей имеют резонаторы в планарных
корпусах. Планарный корпус имеет размеры 9X9X1,8 мм (объем около 0,14 см3)*
и состоит из квадратного основания и круглой стеклянной крышки. Для
основания обычно используется ситалл СТ-50. Основание с крышкой соединяется'
либо склеиванием кремнийорганическими компаундами (для герметичных
резонаторов), либо легкоплавким -стеклом (для вакуумных резонаторов). Выводы'
корпуса тонкопленочные, предназначенные для соединений посредством
микросварки или пайки. Стеклянная крышка позволяет осуществлять настройку
частоты резонатора после герметизации корпуса или после установки в микросбор-·
ку ПЭУ. В таких планарных корпусах могут монтироваться и ПЭ обычного^
типа.
В табл. 20.2 приведены значения параметров ВЧ резонаторов с
селекцией мод среза AT. Для сравнения в первых двух строчках таблицы приведены
значения традиционных ВЧ резонаторов, предназначенных для работы на пятом
247

Таблица 20.2. Параметры ВЧ резонаторов с селекцией мод
Частота,
кГц
75 000
160 000
100 000
100 000
100 000
100 000
100 000
100 000
145 000
145 000
150 000
150 000
150 000
150 000
150 000
Номер
рабочего
обертона
5
5
5
5
5
5
5
5
7
7
7
7
7
7
7
Сопротивле!
1
3
2
5000
4000
3000
3800
5000
5000
5000
4500
3500
4500
4000
4000
4000
3
11
9
360
290
365
380
385
580
740
820
520
630
800
750
805
1ие, Ом
5
51
50
45
100
42
54
50
82
185
290
68
92
124
105
96
и
7
120
98
36
15
105
125
120
164
86
61
29
31
42
36
27
Индуктивность, мГн*
1
5,9
Ы
14
15
14
11
15
15
—
—
__
—.
—.
.—.
—
3
8,6
2,0
5,7
5,2
6,7
5,5
6,8
6,6
6,2
7,2
4,2
4,6
4,4
4,6
4,7
5
10,6
2,6
4,8
4,5
5,9
4,7
5,8
5,3
3,4
2,6
2,9
2,9
2,8
2,9
3,0
и
7
12,6
3,1
5,3
4,5
5,9
5,1
6,1
5,5
3,1
2,2
2,4
2,4
2,4
2,4
2,5
* На различных гармонических обертонах.
обертоне. Сравнение показывает, что у резонаторов с селекцией мод
сопротивление на частоте основной моды возрастает на два-три порядка.
Литература к разделу 20
20.1. Колобков В. Г., Матвеев В. В., Новиков Г. Н. Гармониковые
кварцевые автогенераторы с селекцией мод//Электронная техника. Сер. 10.— 1978.—
Вып. 4 A0). — С. 13—22.
20.2. Колобков В. Г., Матвеев В. В. Некоторые особенности колебаний
резонаторов с захватом энергии//Электронная техника. Сер. 10.— 1978. — Вып.
3 (9). —С. 43—52.
РАЗДЕЛ 21.
РЕЗОНАТОРЫ ИЗ «СИЛЬНЫХ»
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ-КРИСТАЛЛОВ
21.1. Общие сведения
Относительно небольшой резонансный промежуток кварцевых резонаторов
юграничивает возможности реализации пьезоэлектрических фильтров с широкой
полосой пропускания, управляемых и термокомпен'сированных генераторов. В
связи с этим специалистов давно привлекают возможности использования для
резонаторов так называемых «сильных» пьезозлектриков, т. е. таких, у которых
-коэффициент ЭМС больше, чем у кварца (порядка 30% и более). Известно
большое число пьезоэлектрических кристаллов с большими значениями
коэффициента ЭМС, однако лишь немногие из них могут быть использованы для ПР.
Во-первых, физические свойства таких кристаллов должны обеспечивать
высокую температурную стабильность частоты и других параметров, а также
удовлетворять некоторым требованиям технологии. Во-вторых, должны быть
разработаны способы выращивания больших однородных кристаллов, лишенных
дефектов строения.
248

Природных кристаллов, удовлетворяющих этим требованиям, не оказалось,.
и усилия ученых и специалистов были направлены на изыскание кристаллов,
которые можно было получать искусственно. Такого рода исследования были-
предприняты еще до 1940 г. и интенсивно продолжались в последующие годы.
Первыми «сильными» пьезоэлектриками, которые пытались использовать для.
ПР, были кристаллы фосфата аммония (ФА) и фосфата калия (ФК),
выращивание которых из водных растворов было освоено в СССР ,(А. А.
Штернбергом) и в США в 40-х годах. Технология изготовления ПР из кристаллов
ФА была в 1950—?953 годы освоена Е. Г. Бронниковой, которой удалось
использовать их для фильтров на тональные частоты. Однако большое значение
ТКЧ ограничивало их практическое применение.
В послевоенные годы в США У. Мэзоном были изучены физические
свойства кристаллов солей винно-каменной кислоты калия и этилендиамина и
доказана возможность изготовления резонаторов с малым значением ТКЧ для
фильтров аппаратуры многоканальной связи. В США было организовано
производство резонаторов из кристаллов винно-кислото этилендиамина (ЭДВ), что
позволило заменить кварцевые резонаторы в фильтрах этой аппаратуры. В
СССР методы выращивания кристаллов винно-кислого калия (KB) и ЭДВ
были разработаны А. А. Штернбергом в 1948 ...1949 годах, а в 1950—1952 годах
было освоено выращивание кристаллов KB [121.1].
Технология изготовления КВ-резонаторов была разработана Е. Г.
Бронниковой, П. Г. Поздняковым и А. А. Штернбергом, и с середины 1950-х годов
началось их серийное производство взамен кварцевых резонаторов. Их
производство продолжалось в течение более 20 лет. Эти кристаллы позволяли
реализацию фильтров с шириной полосы на порядок большей, чем у КФ. Эти
кристаллы имели срезы с малым значением ТКЧ только на низких частотах,
что ограничивало их использование.
Следующим «сильным» пьезозлектриком, позволившим использовать его
для ПР, оказалась льезокерамика на основе титаната бария. Свойства пьезо-
керамических резонаторов рассмотрено в разд. 7. «Сильными»
пьезоэлектриками оказались синтезированные в 60-х годах соединения: ннобат лития (НЛ) и
танталат лития (ТЛ). Кристаллы этих веществ, не растворимых в воде,
выращивают из их расплавов [21.2]. Кристаллы НЛ обладают большими
значениями пьезоэлектрических коэффициентов и коэффициента ЭМС, чем ТЛ, однако·
ПР из этих кристаллов имеют большое значение ТКЧ (более 60?0 °C_1)f
что крайне ограничивает, если не исключает, их использование. Как
установлено, обнаружение срезов с малым значением ТКЧ у кристаллов НЛ
бесперспективно [21.3].
Кристалл ТЛ—«сильный» пьезоэлектрик, и коэффициенты ЭМС у него-
достигают 50... 60%, следовательно, резонансный промежуток ТЛ-резонаторов
может достигать 7 ... 10%. Физические свойства кристаллов ТЛ и его
симметрия определяют наличие срезов с малым значением ТКЧ для разных видов
колебаний, что позволило разработать резонаторы на широкий диапазон
частот [2/1.4].
Наибольший интерес ТЛ-резонаторы представляют для разработчиков
фильтров, управляемых и термокомпенсированных генераторов. В настоящее
время в СССР из числа «сильных» пьезоэлектриков практическое использование
получили ТЛ-резонаторы.
Имеется большое число различных веществ, кристаллы которых являются
«сильными» пьезоэлектриками, позволяющими найти срезы с малым значением
ТКЧ. К таким пьезоэлектрикам относятся берлинит (фосфорно-кислый
алюминий), имеющий ту же симметрию, что и кварц, и весьма сходный с. ним по
многим свойствам. Этот кристалл подробно исследуется, но трудности выращи-
г. вания однородных кристаллов для производства резонаторов еще не преодоле-
I ны (кристаллы берлннита, как и кварца, выращивают гидротермальным спосо-
l бом), и практического применения резонаторы ;из берлинита не получили. Как
| и кварц, берлинит имеет срезы с малым значением ТКЧ, однако коэффициент
ЭМС всего в 2 раза больше, чем у кварца. Берлинит считают перспективным5
пьезоэлексряком, и исследование свойств кристаллов и параметров резонаторов
продолжается [21.5].
249^

Имеется большая группа различных силикатов, кристаллы которых
обладают пьезосвойствами, в том числе и «сильными». Из их числа в нашей
стране ведутся исследования кристаллов лантанно-галлиевого силиката (лангасита,
Л ГС), позволившие обнаружить у них наличие срезов с малым значением
ТКЧ. Можно ожидать в ближайшее время появление на рынке ЛГС-резонато-
ров. Значение коэффициента ЭМС лангасита меньше, чем у ТЛ, и ЛГС-резона-
торы по ширине резонансного промежутка занимают промежуточное
положение между кварцевыми и ТЛ-резонаторами. Резонаторы из лангасита впервые
исследованы И. А. Андреевым, обнаружившим срезы с малым значением ТКЧ
[21.6].
Перспективны также такие кристаллы «сильных» пьезоэлектриков, как
тетраборат лития [21.7], свинцово-калиевый ниобат [21.8] и др. Тетраборат
лития, имеющий срезы с малым значением ТКЧ и большим значением
коэффициента ЭМС E0 %), имеет преимущества перед ТЛ по низкой стоимости
материала. Выращивание кристаллов из расплава ТБЛ освоено в СССР,
ведутся исследования резонаторов разных видов колебаний.
Из перечисленных выше «сильных» пьезоэлектриков для промышленного
производства резонаторов используется танталат лития. В ближайшее время
по мере окончания исследований можно ожидать освоения в производстве
резонаторов из менее дорогих пьезоэлектриков — лангасита и тетрабората лития.
21.2. Резонаторы из тантала лития (ТЛ-резонаторы)
Для производства ТЛ-резонатора имеется база, обеспечивающая
выращивание монокристаллов, их монодоменизацию, ориентацию и вырезку заготовок
требуемых срезов для резонаторов продольных и толщинно-сдвиговых
колебаний, которые поставляются по техническим условиям (данные приведены в
табл. 2:1.1) [21.9].
С 1988 г. освоены в серийном производстве микроминиатюрные
ТЛ-резонаторы РТ06 продольных колебаний. Резонаторы выпускаются в металлических
корпусах типа ЧА. Параметры резонаторов РТ06 приведены в табл. ,21.2. Для
ПЭ используется срез zyb/+45°f обеспечивающий оптимальные значения
резонансного промежутка и индуктивности.
Индуктивность Lu Гн, резонатора РТ06 с частотой /н определяется из
выражения (с погрешностью не более 5 %)
11=203//н.
ТЛ-резонаторы продольных колебаний могут выполняться также в
стеклянных корпусах типа Э (РТ02 и РТ06). Их основные параметры приводятся в
табл. 21.3.
ТЛ-резонаторы изгибных колебаний. В табл. 21,4 приведены основные
параметры ТЛ-резонаторов и тождественного ему по размерам и конструкций
серийного кварцевого резонатора изгибных колебаний ХВ.
Таблица 21.1. Срезы и геометрические размеры пластин для ТЛ-резонаторов
продольных и толщинно-сдвиговых колебаний (ЖКДГ 7.344.005 ТУ)
Обозначе-няе
среза
zyb/+45°
ху
xysf—41°
Вид колебаний
Продольные
Сдвиг по
толщине
Размеры пластины, мм
1
7 ... 60
6,5...12
Ъ I s
3,5 ... 4
5,5...10
1
0,5...0,6
250

Таблица 21.2. Параметры ? Л-резонаторов РТ06
Параметры
Диапазон частот, кГц
Резонансный промежуток, %, не менее
Точность настройки при 25±5 °С, ?///,?10~6
Максимальное изменение рабочей частоты в интервале
температур —10 ... +60 °С, ?///, Х10-6
Сопротивление при 25±6°С, Ом, не более
Сопротивление в интервале температур —10... +60 °С, Ом, не
более
Ослабление побочных резонансов в диапазоне частот @,65 ...
... 1,02)/?, дБ, не менее
Старение за 1 г., ?///, ХЮ-6, не более
Объем, см3
Значения
параметров
210...565
2,5
+75
— 100...+200·
60
90
·'¦ 45
ПО
0,28
Таблица 21.3.
Основные параметры ? Л-резонаторов продольных колебаний
в стеклянных корпусах типа Э
Параметры
Значения
параметров
Диапазон частот, кГц
Резонансный промежуток, %, не менее
Точность настройки при 25±5 °С, ?///, ХЮ~6
Индуктивность, Гн
Максимальное относительное изменение рабочей частоты в
интервале температур —60... +85 °С, ?///, ?10-6
Сопротивление ори 2!5±б°С, Ом, не более
Сопротивление в интервале температур —60... +85 °С, Ом, не
более
Ослабление побочных резонансов в диапазоне частот @,5 ...
... 3)/, дБ, не менее
Старение за 2 г., ?///, Х'10~6, не более
Объем, см3
60...300
2,3
+ 50
1...0,5
— 100...+600
20
50
,???. 45
100
3...10
Таблица 21.4. Сравнительная таблица основных параметров ТЛ-резонаторов
и кварцевых резонаторов изгибных колебаний ХВ (РК296)
Тип
резонатора
ТЛ-резонатор
Кварцевый ХВ
Частота

колебаний, кГц
34,1
32,8

Индуктивность, Гн
50
3000
РезО'нан-
сный
промежуток, %
1,10
0,12

Сопротивление, кОм
0,3
10
Объем
резонатора,
см3
0,11
0,11
Хотя ТЛ-резонаторы изгибных колебаний не обладают нулевым значением
ТКЧ первого порядка, это не лишает их некоторых преимуществ перед
кварцевыми резонаторами ХА, которые, как известно, тоже не обладают нулевым
значением ТКЧ первого порядка. При величине резонансного промежутка, в
4 раза большим по сравнению с кварцем, нестабильность краев полосы
пропускания фильтров на ТЛ-резонаторах изгибных колебаний в 2 раза меньше, чем
на упомянутых КР [21.10].
251

Старение ТЛ-резонаторов характерно понижением частоты до значений
порядка 60·10~6 за год, в то время как для КР характерно повышение частоты
[21.11].
ТЛ-резонаторы с ПЭ в виде пластин среза zyb/y, совершающими колебания
изгиба в плоскости ?? (по длине и ширине пластины), могут считаться
аналогами кварцевых резонаторов НТ и рассчитаны на частоты 10 ... 200 кГц.
Добротность резонаторов достигает 100· 103, сопротивление 50 ... 150 Ом. При
использовании ПЭ среза гуЫ~\-АЪ° резонансный промежуток имеет
максимальное значение 1,3%. Индуктивность может быть 2... 80 Гн в указанном
диапазоне частот и регулироваться в этих пределах подбором соотношения
поперечных размеров ПЭ. ТЧХ резонаторов близка по форме к квадратичной
параболе, крутизна которой определяется коэффициентом крутизны (квадратичным
коэффициентом) а2= G ... 9) ·10~s °C~2, регулируется изменением угла среза и
соотношения b/l. Для углов среза 30... 50° при вариации b/i в пределах ОД...
...0,4 положение экстремума ТЧХ смещается от —40 до -hilOO °C [211.12].
Сочетание малых размеров ПЭ с небольшой индуктивностью делает
ТЛ-резонаторы изгибных колебаний в плоскости ХУ перспективными при
миниатюризации фильтров на дискретных компонентах.
ТЛ-резонаторы контурно-сдвиговых колебаний. ТЛ-резонаторы с
прямоугольными пластинами, совершающими колебания сдвига по контуру, могут
успешно применяться в диапазоне частот 500 ... 900 кГц. Установлено, что
такие колебания с нулевым значениехм ТКЧ первого порядка можно возбудить
в ПЭ среза yzb/y с помощью «параллельного» ноля, т. е. электрического поля,
силовые линии которого почти параллельны главным граням пластины. Такое
поле можно создать нанесением на главные пластины по паре электродов,
имеющих противоположную полярность, причем электроды, противолежащие
друг другу на разных гранях пластины, должны быть униполярными. Было
показано, что для новых срезов ТЛА (у=24±5°) н ТЛВ (? = 60±5°) с
контурным сдвигом имеют экстремум ТЧХ в интервале температур —30...+70 °С.
Значения коэффициентов крутизны параболы составляют F ... 8) · 10~s °С2 для
левой и G ...9) ·10~8 °С~2 для правой ветви ТЧХ обоих срезов, т. е. их
температурная нестабильность частоты несколько большую, чем у кварцевых
резонаторов. Установлено, что при соотношениях //6=1,1; 2,6; 4,3; 5?б и некоторых
других связь рабочих колебаний сдвига по контуру с паразитными
колебаниями изгиба становится минимальной, вследствие чего добротность резонаторов
достигает максимума, а динамические сопротивление и индуктивность
достигают минимума.
Резонансный промежуток Bs рассматриваемых резонаторов определяется
не только углом среза пластины, но и ее геометрическими размерами, & также
шириной межэлектродного расстояния w. Величина Bs возрастает при
увеличении толщины s и соотношения Ijb. Установлено, что Bs пластин среза ТЛА
примерно в 1,5 раза больше, чем у пластин среза ТЛВ при одинаковых
значениях l/b, s, w и f. Зависимость Bs(w) носит экстремальный характер и имеет
максимум ири а;=0,45 6 независимо от угловой ориентации и геометрических
размеров пластины. При этом Bs увеличивается в 1,5 раза по сравнению с его
значением при iiy = 0,l b. Но так как при ш = 0,45 b заметно ухудшаются
остальные параметры ТЛР, целесообразно использовать пластины с z# = 0,25 b
[21.13]. Динамическая индуктивность ПР с контурным сдвигом уменьшается с
ростом толщины пластины. Для ПР среза ТЛА в диапазоне частот 500...
...900 кГц Li = 0,l ... 0,7 Гн. Динамическое сопротивление резонаторов
составляет 20... 60 Ом, их добротность C0... 120) ?03.
Давая общую оценку низкочастотным ТЛ-резонаторам с изгибными,
продольными и сдвиговыми (по контуру) колебаниями, необходимо отметить, что
они .имеют резонансный промежуток на порядок больше, динамические
индуктивность и сопротивление на 1,5... 2 порядка меньше, добротность того же
порядка, а температурную стабильность в 1,5 ... 2 раза хуже по сравнению с
аналогичными по виду колебания и частоте кварцевыми резонаторами.
Основные параметры исследованных ТЛ-резонаторов с колебаниями
изгиба, продольными, контурного и толщинного сдвига приведены в табл. 21.5,
Из таблицы видно, что они обеспечивают перекроив широкого диапазона
частот и имеют хорошие характеристики [21.4].
252

Таблица 21.5. Основные параметры ? Л-резонаторов разных видов
Параметры
Диапазон частот, кГц
Резонансный промежуток, %
Индуктивность, Гн
Коэффициент крутизны ТЧХ,
а2, ХЮ-8 °С-2
Сопротивление, Ом
Тип корпуса
Объем, см\ не более
Старение за 1 г., ?///, ХЮ,
не более
Значения параметров при колебаниях
изгибных
10...200
0,7...1,3
2...80
7...9
50...150
Э
13,2
+ 100

продольных
60...600
1,5...2,5
0,2...!
7...9
1... 60
Э(ЧА)
! 4@,28)
4-100

контурного
сдвига |
500...900
0,8...1,8
0,1...0,7
6...9
? 20...60
Э
3,2
+ 100
толщинного сдвига
3000...30000
с. о
@,1...'<)>). Ю-3
9...11
1 5...30
МА (ММ)
0,8@,15)
+300
Достаточно широкое применение могут найти выпускаемые
высокочастотные ТЛ-резонаторы типа PTalMA на диапазон частот 9,9 ... 12 МГц ,[21.16]. В
резонаторах используются ПЭ среза XY, совершающие колебания сдвига по
толщине на основной частоте. Параметры резонаторов PTalMA приведены в
табл. 21.6.
Таблица 21.6. Параметры ТЛ-резонаторов PTalMA
Параметры
Диапазон частот, МГц
Резонансный промежуток, %, не менее
Точность настройки при 25±5°С, ?///, ???-6
Сопротивление, Ом, не более
Сопротивление в интервале температур —50 ... +70 °С, Ом,
не более
Максимальное относительное изменение рабочей частоты в
интервале температур —50... +70°С5 Af/f, ???-6
Ослабление побочных резонансов е диапазоне частот /н±
±1,2 МГц, дБ, <не менее
Объем, см3
Значения
параметров
9,9.
6,5
600
30
40
-800,
30
0,8
,.12
+600
Высокочастотные ТЛ-резонаторы с колебаниями толщинного сдвига по
основной частоте были исследованы в более широком интервале частот C...
...30 МГц). Резонансный промежуток этих резонаторов может быть почти в
40 раз больше, чем у кварцевых резонаторов среза AT, где он не превышает
0,2%.
Общим недостатком толщинно-сдвиговых ТЛ-резонаторов является
свойственная им низкая добротность (несколько сотен), а также значительная
температурная нестабильность частоты. ........
Литература к разделу 21
21.1. Поздняков П. Г. Выращивание кристаллов виннокислого калия//Крис-
таллография. — 1956. — Т. 1. — Вып. 5. — С. 589 — 593.
"¦¦ 21.2. Кузьминов Ю. С. Ниобат и танталат лития.— М.: Наука, 1975.—
224 ¦?"¦""
253

21.3. Warner ?., Опое M.f Coquin G. Determination of elastic and
piezoelectric constants//J. Acoust. Soc. Am. — 1967. — Vol. 42. — N 6. — P. 1223—1231.
21.4. Грузиненко В, Б.т Кочетков Ю. А. Резонаторы на основе танталата ли-
тия//Электронная техника. Сер. 5. — 1987. Вып. 3 F8). — С. 13—15.
21.5. Chang ?., Barsch G. Elastic constants and thermal expansion in ber-
linite//IEEE Trans. Sen., 1976. — SU-23. — P. 127—133.
21.6. Андреев И. ?., Дубовик М. ?. Новый пьезоэлектрик «лангасит»//Письма
в ЖЭТФ. — 1984. — Т. 10. — № 8. — С. 487—491.
21.7. Lithium Tetraborate//Techno Japan. — 1986. — Vol. 18.— ? П.—
P. 77.
21.8. Nakano J., Tomoaki Y. Ferroelectric and optical properties lead
potassium niobate//J. Appl. Phys. — 1975. — Vol. 46, N 6. —P. 2361—2365.
21.9. Гармаш В. М. Современное состояние производства монокристаллов,
ниобата и танталата лития и изделий из них//Тезисы докладов 2-й Всесоюзной
конференции «Актуальные проблемы получения и применения сегнето- и пьезо-
электриков». — М.: НИИТЭХИМ. — 1984. — Ч. 2. — 256 с.
21.10. Кочетков Ю. А,, Ярославский М. И., Васильев Е. Н. Танталатолитие-
вые резонаторы с колебаниями изгиба в плоскости АУ//Электронная техника.
Сер. 5.—1983.—Вып. 1 E0). —С. 52—55.
21.11. Кочетков Ю. ?., Грузиненко В. Б., Ярославский М. И. Старение
кварцевых и танталатолитиевых резонаторов//Приборы и системы управления. —
1986. — № 6. —С. 32—33.
21.12. Танталатолитиевые пьезорезонаторы с колебаниями изгиба в
плоскости АТ/В. Б. Грузиненко, Ю. А. Кочетков, С. Ф. Травкина и др.//Акустический
журнал. — 1985. —Т. XXXI. — № 3. —С. 393—395.
21.13. А. с. 1216835 СССР. Мо'нокристаллический элемент резонансного
преобразователя/В. Б. Грузиненко, Ю. А. Кочетков, М. И. Ярославский и др. —
Опубл. 1986. Бюл. № 9.
21.14. Кочетков Ю. ?., ?. Б. Грузиненко. Танталатолитиевые резонаторы с
колебаниями сдвига по контуру//Электронная техника. Сер. 5. — 1988. — Вып. 2
G1).—С. 54—56.
21.15. Бронникова Е. Г., Ларионов И. М. Монолитные танталатолитиевые
фильтры — новые перспективные изделия акустоэлектроники//Материалы
семинара «Получение и применение сегнето- и пьезоматериалов в народном
хозяйстве».— М: МДНТП, 1984. — 186 с.
РАЗДЕЛ 22.
ВОЗДЕЙСТВИЕ УРОВНЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ
Уровень возбуждения является дестабилизирующим фактором, влияние
которого приводит к изменениям параметров и характеристик ПР. К этим
изменениям относятся:
смещение резонансной и антирезонансной частот;
изменение сопротивления и добротности;
деформация АЧХ, изменение спектра побочных колебаний;
деформация температурно-частотной характеристики;
изменение долговременной стабильности частоты.
В большинстве генераторов уровень возбуждения ПР в процессе
эксплуатации остается практически неизменным. К изменению рассеиваемой мощности
может привести увеличение или уменьшение сопротивления резонаторов при
работе в температурном диапазоне. Изменение мощности приводит к смещению
частоты.
От выбранного уровня возбуждения зависят стабильность частоты
генератора, спектр шумов выходного сигнала, устойчивость работы в диапазоне
изменения температуры.
254

Резонаторы фильтров, в отличие от генераторов, нередко работают в
условиях значительного изменения уровня возбуждения. Рабочий диапазон
может достигать 60... 80 дБ. Смещение частоты и деформация характеристик
существенно влияют на эффективность фильтрации.
Энергия, поступающая в ПР от схемы возбуждения, идет на поддержание
механических колебаний пьезоэлемента, деформацию электродов и элементов
крепления, а также на нагрев. Небольшая часть энергии расходуется на
излучение акустических волн.
22 Л. Предельно допустимая мощность
Если мощность возбуждения превышает допустимый уровень, то
возникают необратимые изменения частоты и сопротивления. При дальнейшем
увеличении мощности происходит разрушение ПЭ или его крепления. Воздействие
чрезмерной нагрузки приводит к возникновению четырех основных' видов
дефектов:
разрушение кристалла;
нарушение целостности элементов крепления, чаще всего паяных
соединений;
возникновение сколов или нарушений в поверхностном слое;
нарушение структуры или разрушение электродных покрытий.
Повреждения возникают, как правило, в пучностях механических
напряжений, которым соответствуют узлы смещения. Эти напряжения
пропорциональны реактивной компоненте тока, текущего через ПР, или реактивной
мощности. При резонансных колебаниях высокодобротной системы (пьезоэлемента)
напряжения достигают столь больших значений, что могут превысить предел
прочности кристалла. Элементы крепления также подвергаются интенсивным
механическим нагрузкам, что особенно проявляется у НЧ резонаторов. Поэтому
у ПР изгибных и продольных колебаний чаще наблюдаются отказы первых
двух видов. У высокочастотных ПР сдвиговых колебаний в случае превышения
допустимой нагрузки появляются небольшие трещины или отслоения
электродных покрытий. Эти дефекты возникают в зонах локализации колебаний, где к
механическим нагрузкам прибавляется термическое воздействие.
Значения максимальной допускаемой мощности, рассеиваемой КР с пьезо-
элементами разных видов колебаний, приведены в табл. 22.1.
В некоторых руководящих материалах [76] значения предельной мощности
приводят с учетом возможного перегрева ПР в термостате. Эти значения, как
правило, в 2 раза ниже указанных в табл. 22.1.
В ряде случаев в качестве критерия ограничения уровня возбуждения
принимается нестабильность частоты, которая возникает при изменении мощности
на 10% или 1 дБ. Не рекомендуется превышать мощность, изменения которой
на 10% вызывает расстройку более 10~6. Эта граничная мощность у КР
разных типов составляет десятки — сотни микроватт, В частности, при
эксплуатации прецизионных резонаторов на частоты 2,5 и 5 МГц рекомендуется
устанавливать уровень возбуждения не более 10 мкВт, технических КР на те же
частоты — не более 100 ...200 мкВт [22.1]. Отечественным стандартам [76]
оговорен ряд значений рекомендуемой мощности для всех типов КР (табл.
22.2)/
Таблица 22.1. Максимальная допустимая мощность рассеяния на резонаторе
Вид колебаний
Изгибные
Крутильные
Продольные
Сдвиговые (контурные)
Сдвиговые (толщинные)
Частотный
диапазон, кГц
1...100
30...800
50...200
200...1000
400...200000
Мощность,
мВт
0,1
1,0
1,0
1,0
2,0
255

Таблица 22.2. Рекомендуемая мощность рассеяния в кварцевых резонаторах
Частотный
диапазон, кГц
4...50
50 ...800
Свыше 800
Свыше 15 000
Порядок
колебаний
Первый
То же
Высший
Мощность, мВт
Термостатируе-
мые резонаторы
0,005
0,200
0,500
0,200
Нетермостатируе-
мые резонаторы
0,01
0,50
1,00
0,50
Под предельно допустимой иногда понимают мощность, при которой не
наблюдается провалов активности ПР в диапазоне изменения температуры.
Провалы активности возникают вследствие нелинейного параметрического
взаимодействия рабочего колебания с ангармоническими обертонами двух других
гармоник. На рис. 22.1 показаны зоны, соответствующие предельной мощности
возбуждения КР с плоскими ПЭ среза AT на разных обертонах [22.1].
Нижняя граница зоны соответствует ПЭ с малым диаметром электрода, равным
2 мм, верхняя граница — с электродом диаметром 5 мм. Экспериментальные
данные показывают, что более высокочастотные изделия и КР, использующие
низкие обертоны, могут эксплуатироваться при повышенной мощности.
22.2. Зависимость параметров резонаторов от уровня
возбуждения
Зависимость параметров резонатора от уровня возбуждения, т. е.
нелинейность ПР, обусловлена шестью физическими эффектами:
изменением констант пьезоэлектрика в результате воздействия
механических колебаний различной амплитуды;
интегральным нагревом ПЭ рассеиваемой мощностью;
возникновением температурных градиентов в теле кристалла;
перестройкой структуры неоднородностей в объеме и на поверхности ПЭ
(дислокаций, вакансий, микротрещин и т. п.);
влиянием нелинейности деформаций в электродах и креплении;
наличием связи колебаний различных мод.
При милливаттных уровнях возбуждения температура ПЭ, особенно ваку-
умированного, превышает температуру окружающей среды на доли или даже
единицы градусов. Относительные смещения частоты, обусловленные
интегральным нагревом, составляют 10~7... 10~8.
Р, мВт
Рис. 22.1. Предельно
допустимая мощность
рассеяния обертонных
КР на частоты свыше
30 МГц
256

Значительно более сильное влияние на частоту оказывают температурные
градиенты в теле ПЭ. Эти градиенты возникают благодаря наличию зон
преимущественного выделения энергии. Основная часть тепловой энергии
рассеивается в местах концентрации механических напряжений.
Значительное влияние температурных напряжений наблюдается в ПЭ тол-
щинно-сдвиговых колебаний и ПЭ сложной нерегулярной геометрии, например
камертонных. Дисковые ВЧ пьезоэлементы характеризуются локальной
концентрацией энергии под электродами. У ПР линзовой конструкции эффект
захвата выражен еще сильнее, что сопровождается более интенсивными
термонапряжениями и соответствующей расстройкой частоты.
Смещения частоты при малых и средних уровнях пропорциональны
мощности рассеяния или квадрату тока, текущего через ПР:
?/ = *??? = ?>/2.
Значения показателя нелинейности некоторых ВЧ резонаторов среза AT
показаны в табл. 22.3. Приведенные данные справедливы при изменении
мощности от 10 мкВт до 0,5.., 1 мВт [22.2—22.4].
Таблица 22.3. Крутизна зависимости частоты КР от тока (мощности)^
Частота, МГц
Hoivrep гармоники
Конструкция ПЭ
Радиус
кривизны, мм
Крутизна Д А-2
[Кр, ???"9,
мкВт-1]
2,5
«
Ди
0,2
5
5
ск
0,5
5
5
50
0,9
5
5
Линза
100
0,6
5
500
0,001
20
3
[1,8]
30
3
Диск
[U]
50
3
[0,9]
80
5
[5,4]
Наличие пленочных электродов на поверхности кристалла способствует
выравниванию градиентов и снижению чувствительности частоты к мощности, и
наоборот, исключение электродов ведет к усилению зависимости.
У некоторых ВЧ резонаторов конкуренция различных механизмов
нелинейности при разных уровнях возбуждения приводит к изменению крутизны и
знака зависимости частоты от мощности. На рис. 22.2 приведены графики
зависимости f (?) для некоторых КР.
Рис. 22.2. Зависимости частоты iW
резонаторов AT от рассеиваемой
мощности, иллюстрирующие влияние
различных механизмов нелинейности
на крутизну A, 2), ход и знаки
изменения частоты C, 4)
9-45
Рис. 22.3. Зависимости частоты ?/ и
декремента затухания б резонатора
продольных колебаний A50 кГц) от
относительной амплитуды
колебаний 8
257

Механизмом, искажающим характеристики при мощности более ОД мВт,
является дислокационный. В некоторых типах ПЭ этот механизм «включается»
при уровнях порядка 10 мкВт. Влияние дислокаций отражается как в усилении
зависимости частоты от мощности, так и в значительном росте сопротивления
ПР. Кроме того, наблюдается гистерезис, т. е. различный ход зависимостей
при увеличении и уменьшении уровня возбуждения. На рис. 22.2 показан
характер изменения частоты в зоне влияния дислокационного механизма [22.5].
Выраженность гистерезиса зависит от качества кварцевого сырья — его
внутренней добротности [22.6]. Уменьшение добротности от 2 до 1 млн. приводит к
усилению гистерезиса частоты от 0,8 до 2,5-10~б и сопротивления от 3 до 10%.
Данные получены для ПЭ дисковой конструкции на частоту 10 МГц.
У большинства ПР зависимость частоты от мощности не изменяется при
установке различной температуры. На рис. 22.3 приведена зависимость f (P)
для КР на частоту 5 МГц при +20 и +70 °С. Изменение хода зависимости при
разных температурах наблюдается у ПР, в спектре которых имеются
нежелательные резонансы, расположенные вблизи основного. Смещение резонансов
при изменении температуры приводит к деформации токовой зависимости —
появлению перегибов (кривая 2 на рис. 22.4).
Добротность и сопротивление ВЧ резонаторов слабо зависит от уровня
возбуждения. В диапазоне мощности с верхней границей, равной сотням микроватт,
добротность уменьшается на 10... 20%. Имеются случаи аномально высокого
затухания при определенной мощности, рассмотренные ниже.
Нелинейные эффекты особенно сильно проявляются в миниатюрных ПР.
Плотность рассеиваемой в ПЭ энергии достигает больших значений даже при
микроваттных уровнях. Примером могут служить КР для наручных часов с
брусковыми или камертонными ПЭ. На рис. 22.5 приведены типичные
зависимости частоты от мощности рассеяния для КР указанного вида. Изменения
частоты порядка 10~6 отмечаются уже при мощности, равной 1 мкВт. Начальный
участок зависимости обусловлен непостоянством упругих констант кварца при
изменении амплитуды колебаний. Крутизна зависимости f(P) на ниспадающем
участке обычно составляет—E ... 20) · 10"~3 Гц, в редких случаях достигая —
50-Ю Гц. Крутизна определяется по формуле
5/-?//6?,
где ?/ — приращение частоты при относительном изменении рассеиваемой
мощности ??.
Рис. 22,4. Зависимости частоты от
мощности при различной
температуре:
/ — резонатор АТ5, добротность 2,5· 10а;
2 —резонатор AT, добротность 0,8*106
.258
Рис. 22.5. Зависимости частоты
микрорезонаторов (для наручных часов)
от рассеиваемой мощности:
/, 2 — брусковые ПЭ: 3—5 — камертонные
ПЭ

При уровнях порядка 0,1 мкВт в микрокамертонных КР начинает
ощущаться влияние термоградиентов. Температурные напряжения вызывают
положительное изменение частоты, благодаря чему на характеристиках появляется
участок слабой зависимости f(P). Выбор рабочей точки на этом участке
позволяет улучшать режимную стабильность генератора.
Повышенная чувствительность частоты и параметров к изменениям уровня
возбуждения наблюдается также у НЧ резонаторов с ПЭ обычных размеров,
которые совершают изгибные, продольные или контурные колебания.
Крутизна зависимости f(P) у этих изделий на порядок выше, чем у ВЧ резонаторов
сдвиговых колебаний, изменение частоты имеет отрицательный знак.
Сопротивление КР существенно увеличивается при повышении мощности. Рост Ri при
увеличении уровня от нановаттных значений до 1 мкВт достигает 5... 10%. При
мощности, не превышающей 100 мкВт, сопротивление может увеличиваться в
1,5—2 раза. Возможен и более сильный рост, который наблюдается, как
правило, у низкоомных изделий. Изменения сопротивления и частоты носят
обратимый характер, связаны с изменениями упругих констант и температурными
градиентами.
Наиболее слабой чувствительностью частоты к мощности обладают
резонаторы ДТ, в которых возбуждаются контурные колебания. Пониженные
изменения частоты наблюдаются также у прецизионных высокодобротных КР,
работающих на частоте 100 кГц.
В табл. 22.4 приведены данные, которые характеризуют чувствительность
НЧ резонаторов к изменению уровня возбуждения при мощности, выбранной
в пределах 1... 5 мкВт.
У некоторых НЧ резонаторов проявляется влияние элементов крепления
вследствие погрешностей, допущенных при монтаже. Эти ПР характеризуются
повышенной чувствительностью параметров к изменениям уровня возбуждения.
У них также обнаруживается изменение частоты при смене ориентации
корпуса ПР. Такие изделия должны отбраковываться. При этом осуществляется
контроль изменения параметров Sf — крутизна зависимости частоты от мощности.
Усиление нелинейности ПР при больших амплитудах колебаний иногда
приводят к перескокам частоты или возникновению НЧ релаксаций. Значительная
деформация АЧХ резонатора и скачок при перестройке частоты (рис. 22.6)
обусловлены амплитудно-частотным эффектом, причиной которого является
развитие и спонтанное размножение дислокаций [8]. Наблюдается смещение
резонансной кривой в сторону более высоких частот, появление перескока частоты
и гистерезиса АЧХ. При увеличении частоты амплитуда возрастает вплоть до
точки Су где происходит ее резкий срыв. Уменьшение частоты приводит к
другому ходу резонансной кривой. В точке D наблюдается обратный скачок.
Интерес для разработчиков генераторов представляет поведение ПР в
области малых и сверхмалых колебаний. Эта область ограничивается сверху
мощностью примерно 10 мкВт и снизу — долями нановатта. Как правило,
изменения частоты, обусловленные вариациями мощности, при микроуровнях малы и
определяются лишь непостоянством констант упругости. Крутизна зависимости
f(P) имеет порядок 10-10-9 МкВт-1 для большинства ВЧ резонаторов и
Таблица 22.4. Крутизна зависимости частоты НЧ резонаторов от мощности
Частота, Гц
Вид
колебаний
Крутизна
«/, ???"9,
мкВт-1
4
б
10
20
Изгибные
50...
350
250...500
40...
650
90...
300
100
100*
Продольные
150...600
10...50
100
300
Сдвиг по контуру
9...40
30w.70
* Прецизионные резонаторы.
9*
259

Рис. 22.6. Амплитудно-частотные ха- Рис. 22.7. Зависимость частоты о г
рактеристики резонатора при высо- тока для резонаторов разных типов
ких уровнях возбуждения.
Амплитуда возбуждения: 1 — 200 мВ; 2 —
700 мВ; 3 —800 мВ; 4 —2800 мВ
10~9 мкВт для прецизионных изделий. Показатель нелинейности НЧ
резонаторов на один — два порядка больше и достигает 500· Ю-9 мкВт-1.
В области нагрузок, где преобладает механизм непостоянства упругих
свойств, рациональным выбором среза кристалла удается значительно снизить
влияние мощности на частоту. Распространенным является использование двух-
поворотных срезов [22.7] или среза БТ. У резонаторов с ПЭ среза БТ
наблюдается уменьшение частоты с ростом мощности. Крутизна зависимости на
порядок меньше, чем у КР среза AT, и при малых уровнях составляет 0,001 ...
...0,005 А. Использование двухповоротных срезов позволяет обеспечить
слабую зависимость частоты от мощности в широком диапазоне — до 0,5... 1 мВт.
Крутизна зависимости у прецизионных КР среза ТД на частоту 5 МГц
составляет 0,004 (колебания на 3-м обертоне) и 0,02 А-2 E-й обертон) [22.7]. Пьезо-
элементы выполнены в виде линз, радиус кривизны поверхности 300... 400 мм.
На рис. 22.7 приведены усредненные зависимости / (/) для КР на частоту 5 МГн
с линзовыми ПЭ [22.3].
Нелинейность обертонных ВЧ резонаторов, как правило, превышает
нелинейность резонаторов с ПЭ, работающими на основной моде. Крутизна
зависимости растет с увеличением номера гармоники. Это объясняется эффектами
локализаций энергии и влиянием связи основного колебания с побочными
f22.8]. При выборе 7—9-го обертона наблюдается увеличение нелинейности в
S... 10 раз. Эта особенность проявляется во всем частотном диапазоне, вплоть
до 300 МГц.
В новых конструкциях КР, в частности в безэлектродном резонаторе типа
БВА [22.9] на частоту 5 МГц, чувствительность частоты к мощности
существенно снижена. При использовании кварцевых элементов крепления в
конструкции БВА интенсивность амплитудно-частотного эффекта уменьшилась в
2... 15 раз. Отсутствуют разрывы характеристик в весьма широком диапазоне
изменения уровня, вплоть до 60 мВт.
Важным для ряда применений является вопрос о поведении ПР в
условиях низких температур. Исследования показывают, что при переходе в область
260

азотных или гелиевых температур нелинейность ПР усиливается. Крутизна
зависимости f(P) при температуре 2,2 К (—270,8 °С) у резонаторов среза X с
продольными колебаниями (частота 128 кГц) на порядок выше, чем при
комнатной температуре -[22.10]. Зависимость добротности от мощности
усиливается еще в большей степени — на 1,5... 2 порядка.
22.3. Резонаторы с аномальными характеристиками
Некоторым ВЧ резонаторам, ПЭ которых совершают толщинно-сдвиговые
колебания, свойственно возникновение скачков частоты и сопротивления при
малых уровнях возбуждения. С указанной аномалией связан эффект
значительного увеличения сопротивления ПР после хранения — так называемый
эффект «засыпания».
Значительное увеличение сопротивления КР обнаружено при низких
мощностях (менее 10 мкВт). Показано [22.11—22.13], что повышение сопротивле·
ния вызывается наличием микротрещин, частиц и пленок на поверхности ПЭ.
Эффект описывается с помощью теории статического трения. Удается объяснить
факт скачкообразного возрастания потерь и изменения действующей упругости
при достижении определенной амплитуды деформации на поверхности ПЭ, а
также исчезновение эффекта при перевозбуждении КР.
У большинства КР с аномальными характеристиками наблюдается
локальный пик сопротивления. На рис. 22.8 показаны токовые зависимости для КР
на частоту 5 МГц, работающего на 3-м обертоне. При мощности 15 мкВт
сопротивление возрастает в 4 раза, скачок частоты превышает 2-10-5.
Некоторые КР при нановаттных уровнях возбуждения имеют повышенное
(в 2... 3 раза) сопротивление. Увеличение мощности приводит к плавному
снижению сопротивления. На рис. 22.8 приведены зависимости f(P) и Ri{P)
для одного из таких КР на частоту 18 МГц C-й обертон).
Эффект увеличения сопротивления при микромощных уровнях
возбуждения экспериментально обнаружен у КР на частоты 1... 40 МГц. В партии од-
20
Рис. 22.8. Аномальные зависимости
частоты и сопротивления ВЧ
резонаторов AT от уровня мощности:
О — резонатор на частоту 5 МГц,
добротность 75-103; X — резонатор на частоту
18 МГц, добротность 50?03
Af/ff *Ю'В
Рис. 22.9. Аномальные зависимости
частоты и сопротивления НЧ
резонаторов изгибных колебаний:
О — резонаторы ХВ (брусок) на частоту
32,7 кГц, добротность 90-103; X —
резонатор с ПЭ в виде пластины на частоту
30 кГц, сопротивление 1,1 кОм, доброт*
ность 160-103
261

нотипных изделий может встретиться от 5 до 20% резонаторов, которые
имеют аномалии токовых характеристик. Определено, что присутствует связь
между вероятностью возникновения рассматриваемого эффекта и добротностью ПР.
Первым «сигналом», который должен побудить разработчика или изготовителя
к проверке поведения ПР в диапазоне микромощности, является большой
разброс добротности и пониженное ее среднее значение.
Действенными средствами устранения эффекта считаются обработка
мелкозернистыми абразивами, травление, глубокое полирование, тщательная
очистка поверхности пьезоэлемента.
Эффект увеличения сопротивления при слабом возбуждении
обнаруживается также у НЧ резонаторов изгибных и продольных колебаний. Встречаются
такие ПР редко. Как правило, наблюдается монотонный рост сопротивления
при уменьшении мощности (рис. 22.9). Эффект выражен существенно слабее,,
чем у ПЭ толщинно-сдвиговых колебаний. Изменение сопротивления
составляет единицы — десятки процентов.
Эффект «засыпания» обнаружен в процессе изучения причин отказа
генераторов после длительного хранения [22.13]. При выпуске устройства были
работоспособны и соответствовали ТУ. В генераторах использовались ВЧ обертон-
ные КР с ПЭ толщинно-сдвиговых колебаний. Исследование показало, что в
генераторах после хранения не выполнялось амплитудное условие
самовозбуждения из-за резкого увеличения сопротивления КР. Сопротивление
возвращается к номинальному значению после воздействия перевозбуждающего тока,
составляющего единицы — десятки миллиампер [22.12].
Эффект «засыпания» возникает вследствие наличия на активной части ПЭ
частиц кварца, примесей, оставшихся после обработки или отслоившихся в
процессе работы. Частицы удерживаются силами Ван-дер-Ваальса или за счет
наличия вязкой пленки [22.14]. При возбуждении интенсивных колебаний частицы
сгоняются с активной части на периферию ПЭ, что может рассматриваться как
ультразвуковая очистка. Через некоторое время вновь возможно равномерное
распределение частиц по поверхности. Эффект повышения сопротивления вновь
проявляется, ПР «засыпает».
Эффект «засыпания» устраняется технологическими способами —
тщательной очисткой поверхности ПЭ, полировкой, травлением.
22.4. Изменение спектра колебаний в диапазоне мощности
Для резонаторов, работающих в генераторах, важным является отсутствие
интенсивных побочных резонансов вблизи рабочего. Частотные характеристики
ПР фильтров должны быть свободны от сильных побочных резонансов в
широкой полосе частот.
Рис. 22.10.
Спектральные характеристики ВЧ
резонатора при разных
уровнях возбуждения:
? —0,2 мВт; 6 — 20 мВт
262

Амплитудно-частотная характеристика ПР существенно изменяется при
перестройке уровня возбуждения. Наблюдаются взаимное перемещение резонан-
сов по шкале частот и изменение их относительного уровня. Последний вид
деформации АЧХ должен учитываться при разработке и использовании ПР
фильтров. Эти изделия в процессе эксплуатации испытывают воздействие
сигнала, амплитуда которого изменяется в широких пределах.
Уровень побочных колебаний изменяется при перестройке мощности
вследствие различного влияния механизмов нелинейности (теплового,
дислокационного и др.) на колебания разных видов. Кроме того, изменяется связь между
модами сдвиговых, изгибных, продольных колебаний и соответственно взаимно
вносимое затухание. При определенных температурах, где наблюдается
максимальное сближение парциальных частот, зависимость уровня резонансов от
мощности может проявляться особенно сильно.
В качестве примера на рис. 22.10 приведена спектральная характеристика
КР на частоту 1 МГц с линзовым ПЭ среза AT при разных уровнях мощности
[8]. Смещение резонансов по оси частот при перестройке мощности не
превышало 10~6. Изменение же уровня некоторых составляющих достигло 8... 13 дБ;
интенсивность побочных резонансов возросла. В других случаях наблюдается
уменьшение некоторых колебаний при повышении уровня возбуждения.
22.5. Электрическое нагружение и температурно-частотные
эффекты
Изменение связи основного колебания с побочными и выделение тепловой
энергии приводят к ряду температурно-частотных эффектов. К ним относятся
провалы активности ПР в диапазоне температур, смещение ТЧХ, тепловой
гистерезис, термостабилизация за счет внутреннего нагрева ПЭ, в том числе
косвенный амплитудно-частотный эффект.
При больших уровнях возбуждения приходится встречаться с резкими
изменениями активности ПР в диапазоне изменения температуры. Эти скачки
обусловлены параметрическим возбуждением гармонических или связанных
колебаний. При температурах, где наблюдаются провалы активности, парциальные
частоты основного и побочного колебаний сближаются. Затухание на основном
резонансе растет, сопротивление повышается. На рис. 22.11 приведен пример,
иллюстрирующий поведение КР на частоту 10 МГц с ПЭ среза БТ при
разных уровнях возбуждения [8]. Повышение уровня выше 15... 20 мВт приводит
к появлению провалов активности (относительная амплитуда тока Л) при
одной— двух температурах.
Выделение тепловой энергии при возбуждении ПР вызывает смещение тем-
пературно-частотной характеристики. Приращение температуры при мощности
1 мВт у герметизированных ПР имеет порядок 0,1, у вакуумированных ВЧ
изделий достигает 0,5... 1 °С.
Смещение ТЧХ относительно исходной, которая снята при микроваттном
уровне, оказывается более сильным и соответствует нагреву в несколько
градусов [22.15—22.20]. Объясняется это влиянием температурных градиентов. На-
Рис. 22.11. Зависимость активности А
кварцевого резонатора БТ на частоту 10 МГц
от температуры при разных уровнях
возбуждения:
/— Ifi мВт· 2 — 38 мВт! Я — 100 мВт
263

пример, у высококачественного КР на частоту 10 МГц C-й обертон) ТКЧ»
обусловленный градиентом, равен 50 Гц/К. Квазистатический ТКЧ, полученный
расчетным путем, на порядок ниже — 5,4 Гц/К [22.16].
Нагрев ПЭ рассеиваемой мощностью при изменении температуры
вызывает возникновение гистерезиса. Гистерезис заключается в различии ТЧХ в
циклах увеличения и уменьшения температуры. Гистерезис проявляется сильнее у
вакуумированных ПР, чем у герметизированных. Отличие частоты вследствие
гистерезиса при нагружении мощностью 1 мВт (ПЭ среза AT) у многих КР
превышает Ю-7 [22.17].
Эффект нагрева ПЭ рассеиваемой энергией используется для обеспечения·
его термостабилизации [22.17]. Осуществить стабилизацию удается у
безэлектродных ПР при уровнях возбуждения, составляющих десятки милливатт.
Например, нечувствительность частоты к изменениям температуры с периодом
менее 1 ч обеспечивается при использовании оптимальной конструкции ПЭ и его
креплении с малыми тепловыми потерями. Резонатор работает на 5-м
обертоне, рабочая частота 5 МГц. Мощность устанавливается в пределах 20... 25 мВт.
На базе такого КР можно построить точный генератор с достаточно грубым
термостатом (нестабильностью ±1 К) или сверхстабильный генератор.
Для целей внутренней термостабилизации предложено использовать и
косвенный амплитудно-частотный эффект. Этот эффект заключается в изменении
частоты основной моды колебаний ПЭ при изменении амплитуды возбуждения
побочной моды. Например, внутренний нагрев пьезоэлемента среза СЦ—ТД
(частота 5 МГц), осуществляемый путем возбуждения моды В (частота 8,3 МГц),
позволяет осуществлять точную компенсацию уходов частоты в
температурном диапазоне. При этом подаваемая на КР мощность не превышает 10..»
... 15 мВт. Зависимость f(P) линейна и имеет крутизну 2,5 Гц/мкВт [22.18].
22.6. Долговременная нестабильность частоты
Долговременная нестабильность частоты ПР улучшается при снижении
уровня возбуждения. В эталонных и образцовых генераторах предельно малая
суточная нестабильность 10~12 получена при мощности на резонаторе 1 мкВт
и менее. Причиной эффекта считается ослабление изменений жесткости, массы
ПЭ, а также сил сжатия в узлах (точках крепления) [22.19—22.21].
Суточное старение НЧ прецизионных резонаторов с ПЭ в виде брусков или
пластин (частоты 100 и 200 кГц) снижается линейно при уменьшении мощности
от 1 мВт до единиц микроватта [22.19]. Нестабильность удается снизить до
10~12. Прецизионные ВЧ КР, работающие на 3—5-м обертонах, также
показывают наличие линейной зависимости нестабильности частоты от мощности в
интервале средних уровней возбуждения (свыше 10 мкВт). На нижней
границе интервала суточная нестабильность имеет порядок Ю-10 [22.22, 22.23].
При малых уровнях возбуждения влияние мощности на нестабильность
ослабляется [22.24]. При уровнях менее 0,1 ...0,5 мкВт для ВЧ резонаторов
сдвиговых колебаний (срез AT) и менее 1 ... 5 мкВт для резонаторов
продольных и контурных колебаний (срезы X и ДТ) снижение мощности практически
не приводит к улучшению.долговременной нестабильности.
Оценку нестабильности 6f при перестройке уровня возбуждения можно
получить по результатам измерения на одном уровне Ро, используя следующую
зависимость:
6f^6f0(P/P0)n,
где б/о — нестабильность частоты при рассеиваемой мощности Р0; Р
—мощность, при которой предполагается эксплуатировать резонатор.
Для области, лежащей ниже 10 мкВт, параметр ? принимают равным 0,5,
при более высокой мощности п=\.
Использование специальной конструкции ПЭ с зазором (БВА) [22.9]
позволяет снизить старение до, весьма малых значений путем выбора
оптимального уровня возбуждения. Суточная нестабильность КР на частоту 5 МГц E-й
обертон) получена менее 0,5· 10~12. Оптимальной мощностью для резонатора
AT является 70 ...90 мкВт, для резонатора СЦ—ТД —160 мкВт.
264

Литература к разделу 22
22.1. Травкина С. Ф. Исследование влияния нелинейных свойств на
параметры кварцевых резонаторов: Дис. канд. техн. наук. — М., 1972. — 120 с.
22.2. Симонов В. Н. Об уровне возбуждения высокочастотных гармонико-
1вых кварцевых резонаторов//Электронная техника. Сер. 5.—1983.—Вып. 2
E1). —С. 48—50.
22.3. Травкина С. Ф. Некоторые свойства кварцевых пластин различной
'Ориентации//Электронная техника. — Сер. 10. — 1972. — Вып. 3. — С. 28—32.
22.4. Driscoll ?. ?. Low frequency noise quartz crystal oscillator//IEEE
Trans, on Instr. and Meas. — 1975. — IM-24. —№ 1. —P. 21—26.
22.5. Раткин Б. И., Фотченков А. А. Влияние предварительной динамичес- ¦
кой деформации на внутреннее трение искусственного кварца//Электронная
техника. Сер. 10. — 1972. — Вып. 3. — С. 39—44.
22.6. Brice J. С, Fletcher E. D. The influence of the quality factor of
quartz on some device properties//Proc. 35-th ASFC— 1981. — P. 312—316.
22.7. Gagnepain J. J. Amplitude frequency behaviour of doubly rotated
quartz resonators//Proc. 31-st ASFC. — 1977. — P. 14—30.
22.8. Sounders I. L. Drive level effects on transmission measurements of
AT overtone resonators//Proc. of the 5-th Ann. Quartz Conference, Kansas Si-
ty.— 1983. — P. 154—161.
22.9. Besson R. L, Croslamben J., Walls F. Quartz crystal resonators and
oscillators, recent developments and future frends//Ferroelectrics. — 1982. —
№ 43. ___ p. 57—65.
22.10. Gegnepain J. J. Phenomenes non lineaires dans les quartz ¦ piezoelectri-
ques//Coll. Intern. Cronometr. Ser. A. — 1969. — S. 1. — A15/1—A15/6.
22.11. Bernstein M. increased resistance of crystal units at oscillator noise
level//Proc. IEEE. — 1967.— Vol. 55, № 7. — P. 1239—1241.
22.12. Nonaka S., Yuuki Т., Нага К. The current dependency of crystal
resistance at low drive level//Proc. 25-th ASFC—1971. — P. 139—147.
22.13. Gerber E. A. VHF crystal grinding//Eiectronics. — 1954.— Vol. 27,
№ 3. —P. 161—163.
22.14. Knowles J. On the origin of the «second level of drive» effects in
quartz oscillators//Proc. 29-th ASFC. — 1975. — P. 230—236.
22.15. Кога И. Повышение температуры и уход частоты при изменении
тока резоиатора//Кокуеай цусин — Но кэнкю. — 1974,—№ 82. — С. 54—66.
22.16. Gagnepain J. J. Fundamental noise studies of quartz crystal resona-
iors//Proc. 30-th ASFC— 1976. — P. 84—91.
22.17. Valentin ?. P. Internal heating and thermal regulation of bulk quartz
resonators//Proc. 34-th ASFC — 1980. — P. 194—201.
?2.18. Valentin I. P., Guerin C. P., Besson R. ?. Indirect amplitude frequency
effect in resonators working on the frequencies//Proc. 35-th ASFC. — 1981.—
P. 122—129.
22.19. Смирнов А. Н. Низкочастотные прецизионные кварцевые резонаторы
для эталонов времени и частоты (разработка, исследование и применение);
Дис. канд. тех/ наук.— М., 1968. — 124 с.
22.20. Гербер ?., Сайке Р. Кварцевые резонаторы и генераторы—
современный уровень техники//ТИИЭР. — 1966. — Т. 54. —№ 2. — С. 5—19.
22.21. Norton I. R. An ultrastable low power 5 MHz quartz oscillator
qualified for space usage//Proc. 30-th ASFC— 1976. —P. 275—278.
22.22. Блинов И. Н., Демчук А. Д., Рыжков А. В. О повышении
кратковременной стабильности частоты опорных кварцевых генераторов//Вопросы
радиоэлектроники. Сер. Радиоизмерительная техника. — 1975. — Вып. 1.—
С. 42—44.
22 23. Glowinski A. Progres recents des quartz les quartz etalons//L'Onde
Electrique. — 1966, Aprill. — S. 469—473.
22.24. Gniewinska B. Wplyw pradu wzbudzenia na stalosc czestotliwosci
wysokostabilnego generatora kwarcowego 5 MHz//Prace Inst. Tele-i Radiotech. —
1971. — Vol. XV. —№ 3 E6).—S. 73—79.
265

РАЗДЕЛ 23.
ИЗШрНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
РЕЗОНАТОРОВ
23.1. Пьезорезоыатор как объект измерения
Параметры и характеристики служат той информационной основой,
благодаря которой можно обеспечить раздельное проектирование электронной схемы
генератора, фильтра и ПР. Кроме того, нормирование параметров позволяет
поддерживать высокий уровень взаимозаменяемости изделий.
Пьезорезонатор характеризует как основные электрические параметры, так
и величины, отражающие устойчивость изделия к внешним воздействиям. К
основным параметрам относятся резонансные частоты, сопротивление,
добротность, динамические индуктивность и емкость, параллельная емкость, В
технической документации указываются также уровень побочных резонансов и их
частоты.
Нормирование основных электрических параметров ПР осуществляют при
заданных рабочих условиях, основным из которых является температура.
Стандартной при проведении измерений считается температура 300 К B7 °С) [72].
В последнее время в рабочие условия стали включать мощность, рассеиваемую
ПР. Ряд ведущих фирм-изготовителей в документации высокочастотных КР в
качестве стандартного значения приводят мощность, равную 0,5 мВт [23.1].
Во всех стандартах и ТУ на ПР указываются параметры,
характеризующие смещения частоты с течением времени и при изменении температуры. В
некоторых документах приводятся также допускаемые изменения
сопротивления в диапазоне температур.
Другими задами внешних воздействий, влияние которых оговаривается в
документации на ПР, являются постоянное электрическое напряжение,
механические воздействия (вибрация и удары), а также ионизирующие излучения.
Предельное напряжение, которое допускается прикладывать к выводам ПР,
характеризует электрическую прочность конструкции.
Электрические параметры ПР являются специфическими величинами,
которые отражают его свойства как высокодобротного резонансного элемента.
Измерения большинства параметров, за исключением параллельной емкости,
осуществляются в узком частотном интервале, что требует применения
высокостабильных и высокоточных средств измерения частоты — генератора и
частотомера. Динамические параметры (сопротивление, индуктивность, емкость)
вообще не могут быть непосредственно определены при помощи обычных средств
измерения соответствующих электрических величин. Динамические параметры
являются элементами эквивалентной схемы (модели объекта измерений) и
определяются путем косвенных (совместных) измерений. Параметры ПР
получают на основе анализа его АЧХ или особых точек этих характеристик —
резонансов. Поэтому для определения динамических параметров необходимы
средства измерения частоты, электрического сопротивления, амплитуды и фазы
сигнала. Определение динамической емкости ПР, к примеру, осуществляют путем
прямого измерения резонансной частоты fr, интервала между последовательным
и параллельным резонансами F, параллельной емкости Со и расчета по формуле
C1 = 2FC0/fr· B3.1)
Каноническая эквивалентная схема ПР может использоваться в качестве
модели при проведении измерений лишь с существенными ограничениями.
Первым из них служит влияние паразитных распределенных реактивностей
держателя ПЭ и выводов ПР. Это влияние начинает ощущаться на частотах свыше
5 МГц. Учет реактивностей осуществляют путем использования усложненной
эквивалентной схемы, а также контроля емкости электродов (выводов)
относительно корпуса. При измерении параметров ПР в диэлектрических
(стеклянных) корпусах необходимо накрывать резонатор металлическим экраном
стандартных размеров.
266

Другим ограничением служит необходимость отсутствия побочных мод
вблизи рабочей, параметры которой подлежат определению. И наконец, при
проведении измерений следует учитывать влияние уровня возбуждения на
параметры ПР. Каноническая эквивалентная схема представляет собой линейную
электрическую цепь, значения элементов которой не зависят от амплитуды
токов. В действительности ПР является нелинейной электрической системой.
Параметры его зависят от уровня возбуждения. Следовательно, их измерение
должно осуществляться при заданной мощности. Если по условиям эксплуатации
уровень возбуждения изменяется, то должны учитываться пределы изменения
параметров в диапазоне мощности.
Особой спецификой обладает совокупность параметров многополюсных ПР,
представителями которых являются трех- и четырехполюсные элементы.
Динамические параметры отражают не только резонансные свойства, фиксируемые
на каждой паре клемм, но и степень передачи энергии из одной цепи в
другую. Поэтому значения искомых параметров определяют путем расчета по
результатам измерения параметров двухполюсных резонаторов, получающихся
при поочередном закорачивании входной и выходной пар полюсов, и
коэффициенте передачи ? fl]. Коэффициент передачи определяют по измеренным на
резонансной частоте сопротивления со стороны каждой пары
? - (?12/?34I/2 . B3.2)
Резонаторы с ПЭ из винно-кислого калия, танталата лития как объекты
измерений не отличаются от КР. Для них сохраняет справедливость
каноническая эквивалентная схема. Методы и средства измерения параметров
используются те же, что и для КР.
Отличия возникают при измерении параметров резонаторов из пьезокера-
мики, существенными из которых являются низкая добротность (менее 1000),
широкий резонансный промежуток (до 10%) и большие значения параллельной
емкости (до 2000 пф). Кроме того, пьезокерамические резонаторы обладают
высоким уровнем побочных колебаний. Резонансные свойства пьезокерамичес-
ких изделий описывают той же эквивалентной схемой и совокупностью
параметров, что и КР. Но вследствие указанных отличий в ряде случаев отдают
предпочтение другим методам и средствам их измерения.
23.2. Общие сведения о методах и средствах измерений
Измерения электрических параметров на разных этапах жизненного цикла
ПР имеют особенности. При разработке резонаторов осуществляется большой
объем измерений, причем, как правило, требуется их высокая точность.
Используется разнообразная измерительная аппаратура — специализированная и
универсальная. К измерительным операциям во многих случаях не предъявляется
требований высокой производительности и автоматизации.
В процессе серийного производства число контролируемых параметров
сведено до минимума, гарантирующего требуемое качество ПР и экономические
показатели. Однако даже в оптимизированном производстве ПР затраты на
осуществление контрольных операций составляют 30... 50% объема всех затрат.
Требования к точности измерении, как правило, умеренные. Существенным
является высокая производительность измерений. В цеховых условиях
используются специализированные упрощенные приборы.
Потребители ПР в ряде случаев осуществляют входной контроль, отбор
изделий и определение дополнительных параметров. Требования к точности
невысоки. Используется, наряду со специализированной, и аппаратура
универсального применения (генераторы, вольтметры и т. п.). Потребитель заинтересован
в овладении методами измерений параметров ПР, ориентированными на
использование универсальных приборов.
Измерения параметров ПР разделяют на две группы в зависимости от
способа возбуждения. Если ПР возбуждается сигналом внешнего генератора с
перестраиваемой частотой, то метод относят к группе пассивных. К группе
активных причисляют методы, которые основаны на возбуждении ПР в схеме
267

Рис. 23Л. Схема измерения по
мостовому методу:
1 — генератор; 2 — индикатор
Рис. 23.2. Схема измерения по
методу пассивного четырехполюсника:
1 — генератор; 2 — измерительный
четырехполюсник; 3 — индикатор
измерительного генератора. Резонатор при этом выполняет роль
стабилизирующего элемента, который определяет частоту генерации.
Пассивными являются мостовой метод и метод измерительного
четырехполюсника, который иногда называют фильтровым. К пассивным можно отнести
также метод куметра. В первом из перечисленных методов ПР подключается
к измерительному мосту полного сопротивления (полной проводимости), с
помощью которого анализируется сопротивление в резонансной области (рис.
23.1). Мост запитывается сигналом от перестраиваемого генератора. Имеется
ряд методик измерения частот и параметров ПР с ломощью моста [23.2—23.4].
Мостовой метод обеспечивает получение высокой точности измерений и
привязку к эталонам электрических физических величин.
В методе пассивного четырехполюсника сигнал от генератора подается на
измерительную схему, одним из элементов которой является ПР (рис. 23.2).
Измерительная схема служит для согласования сопротивлений, компенсации
паразитных реактивностей и внесения калиброванного сопротивления. Для
фиксации резонансов служит индикатор амплитудного или фазового типов. Метод
четырехполюсника позволяет работать на частотах до 300... 500 МГц и
получать высокую достоверность измерительной информации. Этот метод измерений
принят в качестве стандартного [17, 63, 65].
При использовании метода куметра анализируют влияние сопротивления,
которым обладает ПР при разных частотах, на добротность резонансного
контура с известными параметрами. Контур запитывается сигналом от генератора
(рис. 23.3). По значениям затухания, вносимого ПР на разных частотах,
определяют параметры. Метод куметра не позволяет обеспечивать высокой
точности измерений.
Рис. 23.3. Схема измере- Рис. 23.4. Схема измере- Рис. 23.5. Схема
изменил по методу куметра: ния по методу активно- рения, реализующая по-
/ — генератор; 2 — измери- го возбуждения: лупассивный метод:
тель добротности ] __ четырехполюсник обрат- / — генератор с
электронной связи; 2 — усилитель; ной подстройкой; 2 — изме-
3 — индикатор рительный
четырехполюсник; 3 — электронный
частотомер; 4 — детектор; 5 —
модулирующий НЧ
генератор; 6 — фазовый детектор
263

Активные методы измерения, которые часто называют автогенераторными,
основаны на возбуждении ПР в схеме с усилительными элементами и
положительной обратной связью (рис. 23.4). Резонатор в такой схеме задает номинал
и стабилизирует частоту колебаний, которая близка его резонансной частоте.
Активный метод широко используется в технологических генераторах, а также в
импедансных и кварцевых омметрах. С помощью приборов последних двух типов
определяют сопротивление ПР путем измерения токов в схеме возбуждения.
Промежуточное положение в упомянутой классификации занимает
полупассивный метод измерения [10], в соответствии с которым ПР возбуждается
в пассивном четырехполюснике, но в то же время стабилизирует частоту
генератора. Сигнал от генератора, управляемого напряжением, подается на ПР,
который используется в качестве частотного (фазового) детектора (рис. 23.5).
Сигнал расстройки, снимаемый с выхода детектора, подается в цепь обратной
связи и служит для приведения частоты генерации к частоте ПР. Данный метод
реализуется как в технологических приборах, так и в автоматизированных
комплексах для исследования ПР.
Особое место в классификационном ряду отводят методу затухающих
колебаний. Используя этот метод, определяют добротность по параметрам
переходного процесса, возникающего при отключении возбуждающего сигнала от ПР.
Метод относят к группе активных, так как стабилизирующие свойства ПР
непосредственно определяют частоту сигнала (затухающих колебаний), который
подается на схему выделения измерительной информации [23.5].
Вторым признаком классификации методов измерения служит вид
характеристики ПР, экспериментальный анализ которой позволяет определять
искомые параметры. Используются четыре характеристики: временная (в методе
затухающих колебаний) и частотные — АЧХ, ФЧХ и полного сопротивления.
Если измерения производятся по АЧХ, метод относят к группе амплитудных,
если используется ФЧХ — к группе фазовых. Зависимость полного
сопротивления от частоты служит моделью объекта при проведении мостовых измерений.
Индикация резонанса (основная операция любого из способов измерения)
проводится либо амплитудным, либо фазовым способами. Поэтому различают
амплитудный и фазовый варианты автогенераторного метода, метода
четырехполюсника и других методов измерения.
Пассивные методы измерения характеризуются высокой точностью и гиб- .
костью в выборе уровня возбуждения ПР. Автогенераторные приборы, наряду *
с удобствами эксплуатации, обладают преимуществом при проведении темпера- f
турных испытаний и контроля долговременной стабильности ПР. Процесс
измерения частотного хода в этом случае легко поддается автоматизации.
Параллельно с контролем частоты удобно фиксировать и изменение сопротивления
ПР путем введения избирательного омметра в конструкцию генератора [23.6].
Параллельную емкость ПР определяют при помощи универсальных
приборов, пригодных для измерения малых емкостей:
от 2 до 60 лФ. B3.3)
Частота, на которой производится измерение, должна быть удалена не менее чем
на ОД % от 'ближайшей резонансной частоты. Для контроля емкости ПКР
требуется прибор с более широкими пределами измерения.
Распространенным требованием ТУ является определение, наряду с
основными параметрами, так называемых «нагруженных» характеристик и
параметров ПР. К параметрам такого вида относят в первую очередь резонансную
частоту и сопротивление при условии подключения заданной емкости
последовательно с ПР. В некоторых источниках предлагается нормировать специфические
параметры «подстройка» ? или «чувствительность подстройки» S,
показывающие скорость изменения частоты при перестройке нагрузочной емкости [23.1,
23.7], которые вводятся посредством формул:
dfr
dfr
dCifr
где d С ? — приращение нагрузочной емкости.
269

Рекомендуется выбирать нагрузочную емкость из ряда 20, 30, 50 пФ, для
частот свыше 15 МГц дополнительно 12 и 15 пФ [50, 64, 23.8].
Специфика свойств резонаторов из пьезокерамики, как отмечалось выше,
приводит к необходимости использования специализированных приборов.
Измерение резонансных частот целесообразно проводить полупассивным методом
[23.9]; ПКР включается в пассивный четырехполюсник так, что схема
приобретает характеристику частотного дискриминатора. Этот дискриминатор
используется в цепи АПЧ генератора. Погрешность измерения резонансных частот
изделий с низкой добротностью не превышает Ю-4. В тех случаях, когда
необходимо определять сопротивление и индуктивность в процессе производства,
рекомендуют использовать возбуждение ПКР в схеме измерительного генератора.
Сопротивление измеряют способами замещения или коэффициента передачи
четырехполюсника. При этом обеспечивается высокая точность, так как частоты
ПКР чаще не превышают 3 МГц. Динамическую индуктивность (емкость) и
добротность определяют фазовым способом на крутизне ФЧХ, что также
позволяет получать хорошие метрологические характеристики. Наиболее точные и
метрологически обеспеченные измерения параметров ПКР так же, как и КР,
осуществляются с помощью мостовых методов и средств [23.10]. При этом
погрешность измерения частоты имеет порядок 10~5, сопротивления и других
параметров — менее 1%.
Особую группу образуют измерения параметров пьезоэлектрических
фильтров [20]. Частотные характеристики передачи (амплитудную и фазовую)
определяют, подавая на вход фильтра сигнал от генератора и контролируя
выгодной сигнал с помощью индикатора. При этом принимают меры к
согласованию фильтра по входу и выходу. Рабочее затухание фильтра определяют
методом двух вольтметров или методом сравнения с использованием магазина
затуханий (рис. 23.6). Фиксируют показание индикатора на выходе фильтра и
добиваются такого же показания при подключении магазина вместо фильтра.
Затухание определяют по шкалам магазина.
До настоящего времени распространенной является практика использования
эквивалентов генераторов и фильтров при настройке и испытаниях ПР.
Эквиваленты могут представлять собой копии аппаратуры или ее частей, для
которых предназначается ПР. В качестве эквивалентов используются также
специально разработанные устройства, частотная характеристика и сопротивление
которых соответствуют аналогичным характеристикам рабочей аппаратуры.
Причинами распространенности эквивалентов служат простота обеспечения
заданных условий работы ПР (реактивная нагрузка, уровень возбуждения и* др.),
упрощенная методика осуществления измерительной процедуры и (в
некоторых случаях) более высокая точность по сравнению с приборами
универсального назначения.
Однако применение эквивалентов влечет за собой отрицательные
последствия, наиболее важным из которых является препятствие процессу унификации
Рис. 23.6. Схема измерения
затухания пьезоэлектрического фильтра по
методу сравнения:
1 — генератор; 2 — исследуемый фильтр;
3 — магазин затуханий; 4 — индикатор
Рис. 23.7. Схема измерения
кратковременной нестабильности частоты
пьезоэлектрического генератора:
/ — генератор; 2, 3 — измерительные
четырехполюсники; 4 — смеситель;
5—анализатор
270

ПР, обеспечения единства измерений их параметров. Многообразие
испытательных устройств ведет к неоправданно высоким затратам на их изготовление и
метрологическое обслуживание. Кроме того, использование эквивалентов
нередко приводит к пропуску некондиционных ПР. Действительно, рабочая
аппаратура проектируется без учета необходимости обеспечения чувствительности к
важнейшим измеряемым параметрам, например к сопротивлению резонатора.
Более того, разработчики генераторов стремятся обеспечить слабую
зависимость амплитуды колебаний от сопротивления. Поэтому при использовании
рабочего генератора в качестве средства контроля не исключены как пропуск
некачественных (по сопротивлению), так и отбраковка кондиционных изделий.
Аналогичные трудности возникают и при использовании эквивалентов фильтров^
Основным направлением совершенствования метрологического обеспечения в
области производства и применения ПР является отказ от использования экви-'
валентов генераторов и фильтров и замена их унифицированными приборами,
обладающими высокой точностью и производительностью.
В последние годы появились новые специфические методы и средства,
которые служат для определения кратковременной нестабильности ПР [23.11—-
23.13]. Основным служит метод исследования пары идентичных резонаторов,
возбуждаемых в пассивных четырехполюсниках от одного высокостабильного
генератора (рис. 23.7). Выходные сигналы четырехполюсников вычитаются, и
разностный сигнал подвергается спектральному или временному анализу.
Мощность, рассеиваемую ПР, определяют в большинстве случаев на основе
экспериментально полученного значения напряжения на нем. При работе на
последовательном резонансе используют расчетную формулу
Pr = U2r/Rr. B3.6)
Если частота отличается от fr, то мощность определяют по формуле
Pr^U2r/Rr(\+lJ> B3.7)
где l=2QAfjfr — обобщенная расстройка.
В редких случаях на частотах до 1 МГц измеряют ток через резонатор и
определяют мощность по формуле
Рг = /?ЯгA+Со/СД
Основными характеристиками измерений служат точность и
воспроизводимость. Вопросы, касающиеся точности измерений параметров ПР, будут
рассмотрены в последующих параграфах. Здесь же следует отметить, что
воспроизводимость частоты одного резонатора от измерения к измерению лежит в
пределах 10~9... 10~10. Данные получены на основании исследования большого
числа КР с частотами от 5 до 110 МГц [23.14, 23.15]. Воспроизводимость
результатов при установке КР в несколько однотипных приборов на частоте
5 МГц составляет E... 10)·10~9, на частоте ПО МГц —2-;10~6.
При осуществлении измерений на ВЧ и СВЧ важным элементом является
конструктивное исполнение клеммного устройства (держателя) для
подключения ПР. Необходимо обеспечить стандартное расстояние между основанием ПР
и опорной плоскостью моста (четырехполюсника), равное 2 мм [65, 23.16].
При необходимости проведения измерений параметров ПР, удаленного от
прибора, целесообразно осуществлять соединение его выводов с клеммным
устройством с помощью согласованной длинной линии [23.2].
23.3. Измерение частоты и сопротивления резонатора
При измерении частоты и сопротивления широко применяются активный и
пассивный методы. Измерительные генераторы, которые реализуют активный
метод, являются простыми, надежными приборами и более распространены в
сфере производства ПР. В измерительном генераторе определяется, как
правило, одна из частот — минимума fm или максимума /п. Резонатор включается
в цепь положительной обратной связи, которая охватывает схему возбуждения
271

Рис. 23.8. Схема технологического
измерительного генератора:
I _ узел автоматической регулировки
амплитуды; 2 — усилитель; 3 — электронный
частотомегр; 4 — вольтметр
Рис. 23.9. Схема измерительного
генератора с фазовой индикацией:
1 — узел автоматической регулировки
амплитуды; 2 — усилитель; 3 — электронный
частотомер; 4— фазовый индикатор
(рис. 23.8) и определяет частоту колебаний генератора. Схема возбуждения
настраивается так, чтобы амплитуда была максимальной, что фиксируется по
стрелочному вольтметру. Частота колебаний соответствует минимальному
сопротивлению ПР и измеряется с помощью электронного частотомера. Схема
автоматической регулировки ограничивает амплитуду колебаний. Цепь обратной
связи на частотах до 100 кГц выполняется апериодической, на ВЧ —
избирательной. При измерении параметров обертонных ПР на частотах свыше 30 МГц
в четырехполюсник вводится индуктивность, компенсирующая параллельную
емкость Со.
По рассмотренной схеме построены распространенные технологические
приборы для измерения КР: ГДК, ТГК, ГПС (табл. 23.1). Типичными значениями
воспроизводимости частоты в этих приборах являются A ...4)· Ю-6. У
генератора для точных измерений этот параметр улучшен в 10... 100 раз.
Аналогичными точностными характеристиками обладают измерительные генераторы,
выпускаемые зарубежными фирмами.
Сопротивление ПР во многих технологических генераторах определяется по
падению напряжения в цепи обратной связи. При этом измеряется импеданс
2Мин, который с погрешностью 1 ... 3% равен динамическому сопротивлению. Это
условие соблюдается на частотах до 30 МГц. В диапазоне ВЧ при точных
измерениях вносятся поправки. В начале измерения вольтметр подключают к
точке В четырехполюсника (см. рис. 23.8) и осуществляют калибровку,
устанавливая напряжение на заданное деление шкалы. После этого переключают
вольтметр в точку Л и считывают показания со шкалы, отградуированной в
единицах сопротивления.
Существенно увеличить точность удается при использовании в генераторе
фазовой индикации резонанса. В этом случае определяется частота fr
резонатора. При проведении измерения осуществляют настройку схемы возбуждения
до получения нулевого сдвига фаз в точках А и В четырехполюсника (рис.
23.9) и измеряют частоту генерации. Погрешность фазовых приборов снижена
на один — два порядка (табл. 23.2).
Значительный эффект дает применение фазового метода и активного
(полупассивного) возбуждения в комбинированных измерителях параметров ПР на
диапазоны ВЧ и СВЧ. Приборы снабжены средствами компенсации С0.
Характеристики приборов приведены в табл. 23.2.
За рубежом широко используется разновидность технологических
генераторов — импедансметры. Измерение частоты в этих приборах осуществляется
по описанной методике. Сопротивление же ПР определяется с использованием
метода замещения. При включенном объекте измерений (положение 1 переклю-
272

Таблица 23.1. Характеристики измерительных генераторов
Тип прибора
ГДК-1
ГДК-2
ГДК-3*
ГДК-4-1
ГДК-4-2
ГДК-5
ТГК-1
ТГК-2
ТГК-З
ТГК-4
ТГК-11*
Диапазон,
частот, МГц
0,004...0,04
0,04...0,5
0,5...30
30...65
60...105
105...215
0,0005...0,075
0...05..Л
1...30
30...105
0,0005...0,1


изводимость
частоты
?///,?10-6
2
2
0,5 1
2
2
1
1
1
1
? ?
Тип прибора
ТГКЛ2*
тг.к-33
???-44?*
ТГК-56*
ТГКП-33
ТГКП-34
ГПС-34**
ГПС-45**
ГТДЛ*
га-р-1*
Диапазон
частот, МГц
0,05.,Л
1...10
10...105
100...300
1...5
¦3...30
1...32
20...150
5
3...6


изводимость
частоты
A//f,Xl0-·
1
1
2
5
2
3
2
2
0,02
0,02
Примечания: 1. В приборах, отмеченных звездочкой, предусмотрен
контроль мощности, рассеиваемой КР, с погрешностью не более ±30%. 2. В
приборах ТГКП возбуждение осуществляется на параллельном резонансе.
* Генератор с фазовой индикацией.
** Нестабильность частоты за 3 мин.
Таблица 23.2. Характеристики комбинированных приборов повышенной
точности для измерения параметров резонаторов
Тип прибора
ИПРФ-1
ИПРФ-34
ИПРФ-45
ИПРФ-70
ИПР-34
ИПР-35
ИПР-46
ИПР-65
Диапазон
частот, МГц
1 - - -15
1...100
10...150
100...200
1...10
1.. Л50
10...150
200...300
Пог
4Л0
5-Ю-7
1/10 Q
1/?0 Q
1/10 Q
1/10 Q
1/10 Q
'1/10 Q
эешности измерения


тивления, %
10
О
10
10
5
6
10
—

добротности, %
—
—
—
20
—
10
—


тивности, %
,—
10
6
5
10
10
—
чателя, рис. 23.10) определяют сеточный ток генераторной лампы,
пропорциональный амплитуде колебаний. Затем, подключая калиброванный переменный
резистор (положение 2 переключателя), регулируют его до получения такого
же тока, какой наблюдался при включенном ПР. Это состояние соответствует
равенству сопротивлений резонатора и резистора. Сопротивление считывают по
лимбу, которым снабжен резистор. На частотах до 5... 10 МГц обеспечивается
погрешность измерения не более ±10%. Характеристики кварцевых импеданс-
метров распространенных типов приведены в табл. 23.3.
Существенными достоинствами обладает генератор с избирательным
омметром [23.7]. В этом приборе одно из сопротивлений кольца возбуждения
(нагрузка усилительного элемента) регулируется по сигналам схемы
автоматического регулирования сопротивления (рис. 23.11). При этом поддерживается
заданный уровень возбуждения ПР, который может быть выбран весьма малым
(единицы и доли микроватта). Сопротивление RH оказывается равным
резонансному сопротивлению и измеряется с помощью омметра. Избирательный омметр
фиксирует сопротивление, используя вспомогательный НЧ сигнал, и способен
отслеживать его изменения в температурном диапазоне.
273

Рис. 23.10. Схемы импедансметра:
i — усилитель; 2 — электронный
частотомер; 3 — усилитель тока
Рис. 23.11. Схема измерительного*
генератора с избирательным ом мет»
ром:
1— избирательный омметр; 2 — схема
автоматической регулировки сопротивления;
3 — усилитель; 4 — электронный
частотомер
Таблица 23.3. Характеристики кварцевых импедансметров
Тип прибора
TS-AUfTSM-lb
TS-33Q/TSM
TS-6S3/TSM
SC/-327*
5С/-315
Страна-изготовитель
США
США
США
Япония
Япония
Диапазон частот, МГц
75...215
0,01...10
1... 100
0,029...0,034
3...15
Контроль ПР для наручных часов.
Разделение функций самовозбуждения, ограничения амплитуды и
индикации настройки на резонансную частоту позволяет осуществлять измерения с
весьма высокой точностью. При исследовании прецизионных ПР с добротностью
более 5·106 удается снизить ошибки измерения до 3?0-12 [23.117].
Существенным недостатком многих измерительных генераторов является
отсутствие возможности контролировать мощность, рассеиваемую ПР, и
устанавливать заданный уровень возбуждения. Лишь в последние модели приборов
стал вводиться узел контроля мощности.
Пассивные методы позволяют определять частоту и сопротивление ПР с
высокой точностью во всем исследуемом диапазоне частот (до 300... 500 МГц).
Наибольшее распространение получил метод пассивного четырехполюсника,
который называют также фильтровым методом. Частоту и параметры
определяют по реакции ПР на сигнал, который поступает от перестраиваемого
генератора. Резонатор включают в четырехполюсник, который может иметь различную
конфигурацию. На рис. 23.12,а показан измерительный П-образный
четырехполюсник, на рис. 23.12,6 — Г-образный четырехполюсник. П-образная схема
рекомендована к применению на частотах 1... 200 МГц международными
стандартами [63—65], В табл. 23.4 указаны параметры элементов, образующих
П-образную схему, для разных значений характеристического сопротивления.
Рекомендуемая конструкция измерительного узла для диапазона ВЧ приведена
в [63].
274

Рис. 23.12. Пассивные
измерительные
четырехполюсники:
а — П-образный; б — Г-об-
разный
Таблица 23.4. Номинальные сопротивления резисторов, образующих
П-образную стандартную схему (допуск по сопротивлению ±1%)


теристическое


тивление, Ом
25
50
Сопротивление, Ом
Ль Й5
159,0
91,6
i?2, Ra
14,2
31,0
Rz, R&
66,2
96,5 I
1

теристическое
соиро-
тивле-
i ние, Ом
100
I 250
Сопротивление, Ом
Hi, #5
71,6
60
л2, л4
71,6
258
Из, Л а
137
215
В качестве генератора целесообразно использовать синтезатор частот.
Характеристики синтезаторов приведены в табл. 23.5.
Таблица 23.5. Характеристики синтезаторов частот широкого применения
Тип прибора
46-31
46-58
46-71
НР-5100В
(США)
Диапазон частот, Гц
50... 50-106
50... 50-106
A0... 1300) - 10б
106... 109

Наименьший шаг
лигкретной

перестройки, Гц
0,01
0,01
1000
1,0

Напряжение
выходного
сигнала, В
(мощность, мВт)
0,5
0,5
A0)
1,0
Суточная

нестабильность
частоты
Ю~8
5. Ю-9
5. Ю-9
10-е
Частоту минимального сопротивления ПР фиксируют, когда при
перестройке генератора амплитуда выходного сигнала становится максимальной. Чтобы
определить частоту последовательного резонанса, компенсируют параллельную
емкость Со с помощью индуктивности, подсоединенной параллельно
измерительным клеммам. Компенсацию осуществляют при расстройке 1... 5% относительно
частоты ПР, добиваясь минимального показания индикатора путем подстройки
индуктивности. На СВЧ параллельную емкость компенсируют с помощью
длинной линии.
Сопротивление ПР определяется двумя способами: по падению
напряжения в схеме или способом замещения. По первому способу измеряют
напряжение сигнала на входе ? а и выходе ? в и определяют сопротивление по
формуле
Ri = [(kUA/UB)-\]2Rx, B3.8)
где k=UBoIUAo — коэффициент передачи четырехполюсника при включении
короткозамыкателя в измерительные клеммы; Rx — характеристическое
сопротивление.
При использовании второго способа ПР замещается калиброванным
переменным резистором, сопротивление которого регулируется до получения
прежнего показания индикатора. Сопротивление считывают по лимбу, имеющемуся
У резистора. Частотный диапазон измерения ограничивается сверху значениями
5... 10 МГц вследствие влияния паразитных реактивностей.
275

Таблица 23.6. Характеристики селективных микровольтметров
Тип прибора
Страна-

изготовитель
Диапазон
частот, МГц
Полоса
пропускания, Гц
Пределы
измерения

напряжения, мкВ

Погрешность, %
В6-1
Вб-4
6007
SMV-6.5
SMV-7
SMV-8
СССР
СССР
ГДР
гдр
ГДР
ГДР
0,15...30
2Л0-5..
0,03..
0,03..
30..
.0,2
.10
.10
.300
30..Л000
1000
4
@,2; 1)Л03
@,2; 1; 9)-103
A; 20) Л О3
A; 20; 120)· Ю3
1.
0,1.
0,3.
1.
1.
1
. ЛО5
.Л06
. ЛО5
.Л0б
.ЛО5
.ЛО5
±3
±3
±5
±5
+ 10
В качестве индикатора целесообразно использовать селективный
микровольтметр (табл. 23.6), что снижает погрешности и позволяет осуществлять
измерения в широком диапазоне мощности.
Наиболее высокую точность измерений частоты ПР на ВЧ (порядка 10~7)
получают при использовании фазового метода и пассивного П-образного
четырехполюсника. Этот метод принят в качестве стандартного (основного)
Международной электротехнической комиссией [63—65]. На рис. 23Л 3 показана
схема прибора, реализующего фазовый метод. Частоту генератора
перестраивают до получения нулевого показания фазового индикатора. Это состояние
соответствует резонансной частоте. Исходную настройку нуля индикатора
осуществляют при включенном в измерительные клеммы (вместо ПР)
безреактивном резисторе.
На частотах свыше 30 МГц влияние параллельной емкости приводит к
значительному расхождению резонансной частоты и частоты последовательного
резонанса. Частоту многих ПР с иов ышенным сопротивлением вообще не
удается измерить фазовым методом вследствие того, что фаза полного
сопротивления не меняет знак в окрестности резонанса. Для устранения указанной
трудности на частотах до 300 МГц используют способ измерения, основанный
на компенсации С0 с помощью индуктивности [65, 23.18—23.2:3]. В схеме
компенсации применяют сосредоточенные элементы (катушка индуктивности,
конденсатор) или резонансную линию. На рис. 23.14 приведена схема
измерителя, в которой реализуется компенсация параллельной емкости. В схему
введены элементы (вспомогательный аттенюатор 30 дБ, удлинитель) для снижения
Рис. 23.13. Схема прибора,
реализующего фазовый метод измерения
параметров резонатора в пассивном
четырехполюснике:
/ — генератор; 2— электронный
частотомер; 3~ переменный аттенюатор; 4
—делитель мощности; 5~ фазовый
индикатор; 6—пассивный измерительный
четырехполюсник
276
Рис. 23.14. Схема прибора,
реализующего фазовый метод измерения napaj
метров с компенсацией параллельной
емкости резонатора:
; — генератор; 2 — частотомер; 3 —
переменный аттенюатор; 4 — делитель мощности; 5 —"
аттенюатор 30 дБ; 6 — компенсирующая иЯ"
дуктивность; 7 — пассивный четырехполюсник

Рис. 23.15. Конструкция П-об-
разного измерительного
четырехполюсника с
компенсацией параллельной емкости:
/ — П-обрааный четырехполюсник;
A» D« — варикапы
фазовых набегов и влияния амплитуды. Рекомендуемая конструкция П-образ-
ного четырехполюсника для частот до 200 МГц показана на рис. 23.15.
Компенсирующая линия содержит элементы электронной настройки (варикапы).
Предварительную компенсацию параллельной емкости рекомендуют
проводить на частоте, меньшей на ОД % номинальной частоты. Резонатор
включают в клеммы и .изменяют настройку варикапов так, чтобы напряжение в
канале В стало минимальным. После определения резонансной частоты расстраивают
частоту вверх и вниз до получения равных фазовых сдвигов, например ±20°.
Путем тонкой регулировки смещения варикапов добиваются равных показаний
напряжения при указанных расстройках. Применение компенсации параллельной
емкости целесообразно проводить при измерениях всех КР на частотах свыше
80 МГц и прецизионных измерениях на частотах свыше 5 МГц.
В большинстве установок, реализующих фазовый метод, используются
выпускаемые промышленностью фазометры и векторные вольтметры.
Характеристики наиболее распространенных фазоизмерительных приборов приведены в
табл. 23.7.
Пределы установки мощности, возбуждающей ПР в пассивной схеме,
определяются чувствительностью и динамическим диапазоном векторметра
(фазометра). При использовании приборов с чувствительностью 5 мВ удается
проводить измерения при минимальном уровне возбуждения резонатора 10~8
[23.20]. Если применить более чувствительный прибор нового поколения,
мощность может быть снижена на один — два порядка.
Мощность, рассеиваемая ПР в П-обратном четырехполюснике,
рассчитывается по формуле
? .-= R{RXV\ /8,7.10*(#? + Rxf.
B3.9)
Таблица 23.7. Характеристики фазометров и векторных вольтметров
Тип прибора
Ф2-16*
В5-3
ФК2-12
ФК2-26*
ZPU
ZPV
НР8405А
* Цифровой приб
Диапазон частот,
МГц (кГц)
@,2...2000)
@,02...100)
1...1000
?,?... юоо
?,?... юоо
0,1...2000
0,001...10
ор.
Предельная
чувствительность, мВ
по
каналу А
2,0
0,3
5,0
0,1
0,4
0,15
1,5
по
каналу В
2,0
0,3
0,3
0,001
0,01
0,003
0,02
Погрешности
измерения
фазы,
град
+0,2
+2,5
+2,5
+ 0,5
+ 1,0
+0,5

напряжения, %
___
+2,5
+ 10
+5
+2
+2
277

Возбуждение в пассивной П-образной схеме и фазовая индикация
положены в основу стандартного метода измерения параметров КР на частоту
32 кГц для наручных часов [71]. Сопротивление КР измеряется методом
замещения. Особенностью измерений КР для часов является весьма малая
мощность возбуждения резонатора, непревышающая 0,1 мкВт.
Измерительная схема с использованием синтезатора, П-образного
четырехполюсника и векторного вольтметра лежит в основе ряда автоматических
измерителей параметров И ? [23.2?, 23.22]. Управление установками я обработка
результатов измерений осуществляются с помощью мини-ЭВМ. Статистическая
обработка результатов измерений позволяет снизить случайную погрешность,
вносятся также поправки, учитывающие влияние температуры, мощности и
других факторов. Производительность автоматических установок высока и может
составлять несколько тысяч изделий за смену.
Мостовой метод измерения частоты и сопротивления ПР является одним
из наиболее точных методов. До последнего времени этот метод использовался
только в лабораторных условиях. Однако развитие микроэлектронной
технологии и внедрение ЭВМ позволили создать высокопроизводительные мостовые
средства контроля параметров для технологических применений. Измерения
осуществляются на частотах до 250... 300 МГц.
Для .измерения параметров ПР применяются, как правило, мосты полного
сопротивления. В результате измерения с помощью моста такого типа
получают компоненты полного сопротивления R и Х> представляющие собой
элементы последовательной схемы замещения. Если же используется мост полной
проводимости, моделью объекта служит параллельное соединение активной G
и реактивной В компонент. С помощью моста определяют значения компонент
на фиксированных частотах и на их основе — параметры ПР. Сводка формул
связи приведена в [23.2].
Мостовая установка (рис. 23.16) включает собственно измерительный мост
J?, синтезатор частот /, индикатор баланса моста 3 и блок измерения уровня
возбуждения резонатора 4. Индикаторы баланса выполняются, как правило,
избирательными. В ряде установок используются микровольтметры (см.
табл. 23.6).
На частотах свыше 10... 20 МГц для измерения параметров ПР широко
используется мост Шеринга [23.23]. Можно применить мостовой прибор
универсального назначения, на который подается сигнал от внешнего генератора
(синтезатора). В одной из установок для работы в диапазоне 1 ... 100 МГц
применен мост типа НР-250В (фирма «Хьюлетт — Паккард», США) [23.24].
Мост оборудован специальным зажимом для подключения ПР, обладающим
малой индуктивностью. Погрешности измерения частоты ПР не превышают 10~б,
сопротивления — 3 %.
Рис. 23.16. Схема мостовой установи
ки для измерения параметров
резонаторов:
1 — синтезатор частот; 2 — измерительный
мост; 3 — индикатор баланса моста; 4 —
€лок измерения уровня возбуждения
резонатора
Рис. 23.17. Система для измерения
параметров резонаторов на основе
моста с автоматическим
уравновешиванием:
1 — генератор с электронной подстройкой;
2 — измерительный мост; 3 — смеситель;
4 — синхронный детектор; 5 — регулятор
активной компоненты; 6 — гетеродин
•278

При определении резонансной частоты предварительно осуществляют
начальную балансировку при отключенном объекте от клемм моста. Затем
подключают ПР и устанавливают частоту генератора в'близи резонанса.
Резонансную частоту определяют при достижении нового состояния баланса моста,
причем балансировку осуществляют путем тонкой подстройки генератора и органа
уравновешивания активной составляющей. По шкале, которой снабжен
регулятор активной компоненты, считывают значение параметра Ru Таким образом, в
процессе измерений фиксируют частоту, на которой компонента импеданса Со
равна нулю, т. е. ПР обладает чисто активным сопротивлением.
Частота последовательного резонанса определяется с исключением влияния
параллельной емкости, что реализуется следующей методикой. Начальный баланс
осуществляют при включенном ПР в клеммы моста. Балансировку проводят на
частоте, отстоящей примерно на 0,1 % номинальной частоты. Если мост
сбалансирован с учетом Со, то переход в резонансную область и отыскание точки
нового баланса, в который Cv — C0, приводит к определению частоты
последовательного резонанса. Анализ погрешностей и вопросы оптимизации мостовых
методов и средств изложены в [23.2, 23.3, 23.23].
Одна из первых мостовых систем измерения параметров ПР на частоты
0,8 ... 100 МГц с автоматическим уравновешиванием описана в [2C.26]. Сигнал
разбаланса моста переносится на промежуточную частоту 290 кГц (рис. 23.17).
Индикатор выполнен с использованием синхронного детектирования. На выходах
детекторов X и У присутствуют напряжения, соответствующие разбалансу
моста по реактивной и активной составляющим. Первое напряжение управляет
частотой генератора, второе — элементом, балансирующим мост по активному со*
противлению. Воспроизводимость результатов измерения частоты ПР на
номинал 5 МГц составила 10~9 [23,26].
В наиболее совершенной измерительной системе используется мост Шерингз
для частот 0,8 ... 220 МГц в микросхемном исполнении с электронной
перестройкой. Автоматическое управление осуществляется с помощью микро-ЭВМ.
Аппаратура предназначена для использования в качестве исходного образцового
средства отраслевой метрологической системы США и аттестуется Национальным
бюро стандартов. Во всем частотном диапазоне обеспечивается разрешающая
способность по частоте не хуже 10~3 и по сопротивлению 0,2% [23.26].
Следует упомянуть еще о>б одной разновидности мостовых приборов,
используемых для измерения параметров ВЧ и СВЧ резонаторов — анализаторах
полного сопротивления на базе дефлектометра. Такие при'боры позволяют
определять параметры с точностью, сравнимой с точностью эталонов полного
сопротивления. Анализаторы измеряют модуль и фазу коэффициента отражения
неизвестного импеданса и, обладая встроенным микропроцессором, преобразуют эти
величины в любую из форм представления полного сопротивления. Методика
работы с анализаторами та же, что и с мостовыми измерителями параметров
ПР традиционного вида. Одна из измерительных установок, разработанная &
США, использует анализатор типа НР4191 и настольную микро-ЭВМ типа
НР9826 [23.27]. Частотный диапазон измерения 1 ... 1000 МГц.
23.4. Измерение добротности
Добротность резонатора определяют следующими основными способами: по
переходному процессу затухающих колебаний; измеренным значениям основных
параметров; крутизне фазочастотной характеристики; значениям полного
сопротивления в резонансной области.
На предприятиях, производящих ПР, наиболее распространены приборы,^ в
которых реализован метод затухающих колебаний. Функциональная схема
прибора показана на рис. 23 Л 8 и включает схему возбуждения 1, измерительный
четырехполюсник 2, амплитудные селекторы 5, 6 и измеритель интервала времени
7. Настройка генератора в режиме непрерывных колебаний на частоту ПР
осуществляется по максимуму показаний индикатора амплитуды 4. Чтобы
измерить добротность, ? ? отключают с помощью ключа 3 от схемы возбуждения.
Параметры экспоненциального процесса затухающих колебаний фиксируют с
помощью селекторов 5, 6 и измерителя 7. Измерение времени начинается в мо-
27$

fF4
L=Ll*J
1 /
_2
7
5
? .?. ^ ?
I _L iul J_ I
4-
И
Рис. 23.19. Схема лабораторной установки для
измерения добротности резонатора методом
затухающих колебаний:
/ — генератор; 2 — ключевая схема; 3— измерительный
четырехполюсник; 4— осциллограф; 5 — генератор
импульсов
Рис. 23.18. Схема измерителя добротности
резонатора:
1 — схема возбуждения; 2 — измерительный
четырехполюсник; 3 — ключ; 4 — индикатор амплитуды; 5, 5 —
амплитудные селекторы; 7 — измеритель интервала
времени
мент совпадения амплитуды с порогом Uit задаваемым первым селектором, й
прекращается при достижении порога U2i задаваемого вторым селектором.
Добротность определяют на основе измеренного интервала времени ? по формуле
q^—IL·— B3.10)
In
и*
В ряде приборов выбирают значения /пороговых напряжений так, чтобы со-
блюда лось условие
?1?(?/1/?/2)= Ю. ., ^ B3.11)
Измеряют с помощью счетчика число периодов колебаний N между
моментами срабатывания селекторов. Это число после умножения на 10 дает значение
добротности
Q = i0iV. B3.12)
Такой способ реализован в приборах рядов ИПР и ИПРД, основные
характеристики которых приведены в табл. 23.8.
Таблица 23.8. Характеристики приборов для измерения добротности
и динамических параметров резонаторов
Тип прибора
ИПР-1
ИПР-2
ИПР-0
ИПР-5М *
ИПРД-1
ИПРД-2
ИПРД-3
ИПРД-4
Диапазон частот, МГц
0,01...1
1...30
40...100 -
10...40
0,001...0,01
0,01...1
_ Ц1...10
г<^- ю...во
Погрешности измерения, %
добротности
3
3
20
25
3
3
5
15
сопротив- индуктив-
ления ности
3
4
10
10
4
4
7
30
6
10
10
15
6
6
10
15
280

Метод затухающих колебаний нередко применяют в лабораторных условиях,
используя пассивное возбуждение ПР. Резонатор включает в четырехполюсник
3 (рис. 23Л.9), на вход которого подают" через ключевую схему 2 сигнал от
генератора 1. К выходу четырехполюсника подключают осциллограф 4. Частоту
генератора настраивают в резонанс по максимуму амплитуды колебаний,
наблюдаемых на экране. Осциллограф включают в режим запуска развертки or
внешнего источника. В момент прихода импульса от генератора 5 схема 2 отключав!
сигнал возбуждения от ПР и запускает ждущую развертку. На экране
осциллографа появляется изображение затухающего процесса. Пользуясь формулой
B3.10), определяют добротность ПР, При измерении параметров НЧ
высокодобротных образцов, переходный процесс которых длится секунды и даже
минуты, интервал Г определяют с помощью секундомера. Чтобы избежать
появления ошибки из-за шунтирования со стороны схемы, следует обеспечить слабую
связь ПР с генератором и индикатором.
Метод затухающих колебаний не позволяет получать высокую точность
измерений, особенно на ВЧ. Это обусловлено, главным образом, влиянием
побочных резонансов, которые искажают огибающую переходного процесса. Если
аппаратурные погрешности удается снизить до 1 ...3%, то ошибки, которые
вызваны немоночастотностью, могут достигать 20 ... 30 %. Значительную
неопределенность в результаты измерений вносят также нелинейность ПР, в частности
зависимость добротности от уровня возбуждения, и эффект последействия
[2?.28]. Наличие инерционности изменения параметров при быстром спаде
амплитуды колебаний (последействие) не позволяет указывать мощность, при
которой осуществлено измерение. У ряда НЧ изделий неопределенность такого рода
вызывает ошибку по добротности более 10 ... 20 %, у ВЧ резонаторов — более
5%.
Определение добротности ПР косвенным способом по значениям измеренных
частоты, сопротивления, динамической индуктивности (емкости) осуществляют,
используя формулу связи
Q^^LJR^ B3.13)
Рассматриваемый способ позволяет обеспечивать погрешность не более 3 ...
...4%. Трудоемкость косвенного измерения добротности велика. Однако такой
способ все шире применяют в установках технологического назначения, в
которых измерительные и вычислительные операции производятся автоматически с
участием встроенной ЭВМ [23Л8, 23.21, 23.22].
При использовании пассивного фазового способа целесообразно определять
добротность, фиксируя крутизну ФЧХ резонатора [23.29]. Для этого после
настройки в резонанс, где фаза равна нулю, смещают частоту генератора на
величину ?/ и получают отсчет проявившегося фазового сдвига ??. Расстройку
обычно выбирают так, чтобы фаза не превышала 10 ... 20 град. Добротность
вычисляют по формуле
Q==(l+"lf )tg(p°frMf' B3Л4)
Пассивный фазовый способ позволяет осуществлять измерение добротности
во всем диапазоне частот, вплоть до 200 ... 300 МГц, и обеспечивать высокую
точность. На НЧ (до 1 МГц) погрешность не превышает 1 %, на средних A ...
...30 МГц) —2 %, на частотах до 200 МГц —5 %[65]. Этот способ исключает
влияние нелинейности ПР и побочных колебаний. Измерения производятся при
малых расстройках относительно резонансной частоты и соответственно в
условиях практически неизменной мощности возбуждения.
К точным методам измерения добротности в лабораторных условиях
относится мостовой метод. С помощью измерительного моста определяют значения
полного сопротивления ПР на двух частотах, лежащих вблизи
последовательного резонанса, и по ним рассчитывают добротность. При измерении используют
/г и частоту, расстройка которой ?/ лежит в пределах ОД ... 0,3 полосы
пропускания ПР. На этой последней частоте фиксируют составляющие Яр и Ср (при
параллельной модели импеданса). Добротность определяют по формуле
Q-rt^/?pCp/A/. B3.15)
281

'При использовании мостового метода также исключаются погрешности,
обусловленные влиянием нелинейности ПР и побочных колебаний. Измерение до-
бротности с помощью обычных мостов широкого применения осуществляется на
частотах до 200 МГц, с помощью микроэлектронных мостов — до 220 МГц
[23.26]. Ошибки измерения добротности на низких частотах не превышают 1 ...
...2%, на ВЧ и СВЧ — 5... 10 %. Во вновь разрабатываемых
автоматизированных измерителях, реализующих мостовой метод, операции по перестройке
частоты, измерению импеданса и вычислению параметров осуществляются без
участия оператора за время, равное долям секунды. При этом исключается
утомительная монотонная работа оператора, низкая производительность при
исследованиях или контроле ПР.
23.5в Измерение динамических индуктивности и емкости
Наиболее распространенным способом измерения динамических
индуктивности и емкости служит способ двух частот. По первой модификации способа
определяют смещение частоты ?/ последовательного резонанса (резонансной
частоты) при подключении последовательно с ПР конденсатора с известной
емкостью Сн. Параметры рассчитывают по формулам: Тр<^н^^\ор^< с^^^алли^^
С1 = 2(С0 + СН)А///, i^sfZ^y^Z^
L^lJ&nfrfdz: { /T ZQTJ__ 'B3Л7) *
Ul>?> ~*Ci ***** Ъ&! ЛАР^Ч&сИЯъ
Приведенные формулы являются приближенными и обеспечивают погреш- uL·. ¦
ность не более 5 % при условии, если расстройка ?/ составляет менее 0,1 поло- /%
сы пропускания ПР. Если расстройка превышает указанное значение, то для СоГ
расчета емкости необходимо использовать формулу A.<fcJ7ZoHtitM?T?,?< МлЯ^^4
с, -1№ + ад -^«?«, ^^?%- bS
где Rfr ·—эквивалентное сопротивление с подключенной емкостью Сп.
Согласно второй модификации способа измеряют расстройку между
частотами последовательного и параллельного резонансов и параллельную емкость
?о. Динамическую емкость рассчитывают по формуле
C1=2C0Af/fr· " B3.19)
Смещение резонансной частоты можно определять активным методом при
возбуждении ПР в измерительном генераторе или любой разновидностью
пассивного метода. Целесообразно использовать фазовую индикацию, так как
малые смещения частоты порядка 10~4... 10~5 удается измерять с ошибками,
составляющими единицы процентов.
Калиброванную емкость при измерениях необходимо выбирать из ряда,
оговоренного стандартами [50, 64]. Для КР, работающих на основной частоте
колебаний, стандартизованными являются значения 20, 30, 32, 50, 100 пФ, для
обертонных резонаторов на частоты свыше 15 МГц — значения 12, 15, 20, 30 пФ.
Точность измерения может быть повышена при использовании способа
трех частот. Определяют расстройки ?/? и ?/г относительно частоты
последовательного резонанса при подключении поочередно двух нагрузочных емкостей
СН1 и Сн2 и используют формулу
, С1 = 2(СЯ2-СШ)-^—- B3.20)
?/? — ?/2
Основным источником погрешностей при использовании рассмотренных
способов являются паразитные реактивности нагрузочных конденсаторов,
переключателя клеммного устройства для подключения ПР. На частотах до 1 МГц
погрешность не превышает 1 %, вТЗЧ диапазоне —5 ... 10 %.
На частотах свыше 30 МГц обеспечить высокую точность могут только
фазовый пассивный метод и метод измерительного моста. В приборах, реализую-
282

щих эти методы, отсутствуют нагрузочные конденсаторы и коммутирующие
устройства.
Фазовый метод измерения динамических параметров [64] предполагает
выполнение операций измерения фазы на двух частотах с расстройкой ?/ и
сопротивления Rr, как и при определении добротности. Динамическую
индуктивность вычисляют по формуле
где (ро — фазовый сдвиг, измеренный при расстройке ?/.
На частотах до 80 МГц погрешность измерения реактивных параметров
при использовании стандартного четырехполюсника МЭ;К не превышает 3... 5%.
При измерениях повышенной точности и на СВЧ рекомендуют осуществлять
компенсацию С0 и устанавливать частоты так, чтобы фазовые сдвиги +? и
—? были равны по величине [65]. На частотах до 200 МГц обеспечивается
погрешность не более 7 ... 9 %. -ч
Наименьшие погрешности (менее 2 %) на частотах до 175 МГц получены
при использовании пассивного П-образного четырехполюсника и способа
измерения коэффициента передачи в резонансной области на нескольких частотах
[23.25]. Экспериментальную зависимость модуля и фазы от частоты
аппроксимируют с помощью выражения, соответствующего АЧХ резонатора, и затем
определяют параметры. Вычисления громоздки, поэтому для их выполнения
используется микроЗВМ.
При использовании измерительного моста определение реактивных пара-
метров, как и добротности ПР, осуществляют путем снятия импеданса на двух
частотах с расстройкой ?/ по методике, изложенной в предыдущей параграфе,
Динамическую индуктивность рассчитывают по формуле
L1=:frRrRvCv^f. B3.22)
/Погрешности измерения на частотах до 10... 20 МГц не превышают 1 ...
... 2 %, на более высоких частотах — 5 ... 10 %.
23.6. Определение уровня побочных резонансов
Спектр побочных резонансов описывается следующей совокупностью
параметров; частотами побочных резонансов; сопротивлением на каждом
резонансе и его относительным значением; добротностью каждого из побочных
резонансов; смещением частот побочных, резонансов при воздействии влияющих
факторов, в частности температуры и уровня возбуждения.
Широко используется параметр «относительный уровень резонанса»,
эквивалентный относительному сопротивлению. Этот параметр характеризует
превышение затухания сигнала на побочном резонансе относительно основного при
использовании ПР в фильтровом включении.
В ТУ, как правило, оговаривается лишь предельный уровень побочных
резонансов. Отстройку, добротность резонансов, влияние температуры на АЧХ
определяют на стадии разработки ПР. Измерения в этом случае осуществляют
с помощью лабораторной аппаратуры высокой чувствительности.
>Б качестве основного метода измерения параметров побочных резонансов
принят пассивный метод с амплитудной индикацией [53]. Этот метод
рекомендуется использовать на частотах до 100 МГц. Резонатор включают в
мостовую схему (рис. 23.20), которая служит для нейтрализации параллельной
емкости и обеспечения прямого отсчета относительного уровня резонансов. Два
плеча моста образованы обмотками дифференциального трансформатора, два
других — измеряемым ПР и уравновешивающей емкостью. На вход
измерительной схемы 3 подают сигнал от генератора / через переменный
аттенюатор 2 При плавном изменении частоты с помощью индикатора 4
контролируют неравномерности характеристики передачи (разбаланс моста), которые
вызваны побочными резонансами.
283

Рис. 23.20. Схема прибора для
измерения уровня побочных резонан-
, сов:
J — генератор; 2 —- аттенюатор; 3 —
измерительный мост; 4 — индикатор
"/астата
Рис. 23.21, Иллюстрация понятий
абсолютного и дифференциального
уровня побочных резонансов
В качестве источника сигнала необходимо использовать прибор
(синтезатор частоты), удовлетворяющий специфическому требованию высокой чистоты
спектра. В полосе частот ±10 % от несущей боковые составляющие должны
быть ослаблены по крайней мере на 80 дБ. Необходимо также обеспечить
малый уровень гармоник основной частоты —40 дБ.
В приборе -необходимо использовать индикатор, обладающий широким
динамическим диапазоном (не менее 80 дБ) й вышкой разрешающей
способностью (не хуже ОД дБ). Индикатор должен иметь высокоомный вход.
Измерительный мост должен быть спроектирован и изготовлен так, чтобы
обеспечить минимальную емкость между проводниками, а также между
проводниками и корпусом.
Перед проведением измерений с помощью аттенюатора устанавливают
напряжение, которое соответствует допускаемой минимальной (рассеиваемой
мощности на рабочем резонансе. Необходимо учесть, что частоты и уровни
некоторых побочных резонансов изменяются при перестройке мощности. Поэтому в
ряде случаев целесообразно назначать другую, пониженную исходную
мощность.
Начальную балансировку моста с целью нейтрализации Со осуществляют
на частоте, лежащей в интервале ±10% от номинальной частоты и
удаленной от основного и побочных резонансов. Мост балансируют с помощью
конденсатора до получения минимального показания индикатора.
Плавно перестраивают частоту генератора до получения пика напряжения,
соответствующего побочному резонансу. Настраивая частоту по максимуму
передачи, фиксируют показание индикатора. Если измеряют абсолютный
уровень побочного ,резонанса, то закорачивают ПР и с помощью аттенюатора
добиваются того же показания индикатора. Разность в децибелах между
двумя установками аттенюатора дает абсолютный уровень резонанса,
Дифференциальный уровень определяют как разность установок
аттенюатора на двух частотах, соответствующих побочному резонансу и точке перегиба
АЧХ на скате рабочего резонанса (рис. ,23.21).
Для обеспечения малых погрешностей рекомендуют измерения проводить
в статических условиях. Если используется сканирование частоты, то
необходимо убедиться, что не появляются дополнительные погрешности.
Непрерывное качание частоты и наблюдение АЧХ на экране
электроннолучевого индикатора используется в специализированных приборах,
предназначенных для контроля изделий при выпуске из производства, анализаторах
амплитудно-частотных характеристик. Анализатор представляет собой
панорамный прибор, на экране которого отображается характеристика ПР в
координатах частота — затухание. Из схемы на рис. 23.22 следует, что развертка АЧХ
осуществляется с помощью генератора качающейся частоты 1. Генератор управ-
284

Рис. 23.22. Схема
анализатора АЧХ резонатора:
/ — генератор качающейся
высоты; 2 — измерительный
четырехполюсник; 3 —
регулируемый аттенюатор; 4 —
детектор; 5 —
электроннолучевая трубка; 6 —
генератор развертки
ляется схемой 4, вырабатывающей периодическое «напряжение пилообразной
или синусоидальной формы. Это же напряжение поступает на горизонтально
отклоняющие пластины ЭЛТ 7, создавая временную развертку. На вертикально
отклоняющие пластины подается лродетеитированное напряжение сигнала,
прошедшего через измерительный четырехполюсник 2 с включенным ПР.
Резонатор обычно включают в продольную цепь четырехполюсника, поэтому
напряжение на выходе последнего оказывается обратно пропорциональным
затуханию. На экране ЭЛТ в момент щюхождения частоты через каждый из
резонансов индицируется выброс с амплитудой тем большей, чем ниже
сопротивление. Для точного измерения уровня резонанса в тракт вводится
калиброванный переменный аттенюатор 6.
'Приборы для контроля АЧХ резонаторов обладают широким динамическим
диапазоном, что позволяет определять уровень слабых резонансов с
подавлением 'более 40... 60 дБ. Предусмотрено также точное измерение расстройки
побочных резонансов. Характеристики приборов для обнаружения и измерения
параметров побочных резонансов приведены jb табл. 23.9.
Таблица 23.9. Характеристики приборов для измерения побочных резонансов
Тип прибора
ПМР-2
ГШР-25
ПМР-3
ПМР-4
ПМР-24
АМР-45

Диапазон
частот, МГц
0,1...28
0,1... Ю
10...30
30...60
0,1...75
10..Л00
Уровень

обнаружения

резонанса, дБ
50
80
80
80
80
80
По-
гтреш-
ность,
ДБ (%)
(з :!
B
B)
C) |
2,5 '
2,5 |
Тип прибора
ИЧХФ-3
ИЧХФ-4
АЧХ-59
АЧХ-65
АЧХФ-44

Диапазон
частот, МГц
10...30
30...60
0,1...30
30...60
10...100
Уровень

обнаружения

резонанса, дБ
100
100
120
120
120


грешность,
ДБ (о/0)
2,0
2,0
2,0
Таблица 23.10. Характеристики универсальных анализаторов АЧХ
Тип прибора
XI-40
XI-42
Х1-47
XI-48
XI-54
XI-55
Х1-56
Диапазон
частоты, МГц
2-10-*..Л
0,5...1250
1...250
0,1...150
0Л..Л50
1...1400
1...250
Диапазон
измерения затухания, дБ
40
70
70
80 *
120
130
100
Минимальная
полоса
анализа, кГц
0Л
0,01
200
200
1,5
300
100
285

Для высокоточных (измерений параметров побочных резонансов используют
описанный ранее метод пассивного четырехполюсника с амплитудной
индикацией [53]. Резонатор включают в мостовую схему, коэффициент передачи
которой пропорционален сопротивлению на побочном резонансе. Метод позволяет
непосредственно определять частоту и сопротивление побочного резонанса.
Для определения спектра колебаний могут -использоваться серийные
универсальные анализаторы. В табл. 23.10 приведены основные характеристики
анализаторов АЧХ.
23.7. Определение временной и температурной нестабильности
Показатели временной и температурной нестабильности ПР при разработке
изделия определяют у значительного числа образцов для набора и оценки
статистики. При выпуске изделий из производства контролируют, как правило
лишь ТКЧ.
Долговременную нестабильность частоты (старение) определяют либо в
рабочем режиме при работе ПР в измерительном генераторе, либо в режиме
хранения. Частоту регистрируют через определенные интервалы времени: 100,
500, 1000 ч и т. д.
Определение долговременной стабильности, как правило, проводят по
группе однотипных ПР. Каждый обр тел, подключают к своему генератору,
резонаторы помещают ib многоместный термостат. Температуру устанавливают ли'бо
в точку .нулевого значения ТКЧ, либо равной верхней предельной температуре.
Допускаемую ошибку термостатирования определяют, исходя из требуемой
точности измерения частоты и крутизны ТЧХ резонатора.
При испытании в режиме хранения измерения осуществляют после
включения ПР ib генератор, снабженный точным термостатом. В промежуткам между
измерениями ПР содержат в термокамере.
Температурную нестабильность определяют путем снятия ТЧХ резонатора
и температурной, характеристики сопротивления. Резонатор помещают в
термокамеру, в которой осуществляется дискретное или плавное увеличение
температуры от нижнего до верхнего заданных пределов. Частоту и сопротивление
измеряют в отдельных точках температурного интервала. Некоторые приборы,
например кварцевый омметр, позволяют производить непрерывную запись
измеряемого параметра при плавной перестройке температуры. В этом случае
гарантируется обнаружение узких провалов активности и скачков частоты.
В большинстве случаев ПР включают в ¦измерительный генератор, который
находится вне термокамеры. При испытании группы ПР каждый образец
подключается к отдельному генератору.
Температурные характеристики рекомендуют снимать через интервалы не
более 1,5°С [50]. Определение ТЧХ с малым шагом перестройки температуры
является длительным (процессом. Увеличение же скорости изменения
температуры ведет к появлению ошибки измерения, которая обусловлена тепловой
инерционностью ПР.
Значительный эффект для контроля ТЧХ резонаторов дает использование
автоматических измерительных установок. В ряде таких установок
используется пассивный фазовый метод измерения. Измерительный П-!образный
четырехполюсник находится вне термокамеры. Резонатор подключают к схеме
посредством механического или электронного коммутационного устройства.
В одной из первых разработок [23.20] предусматривается использование
25 генераторов (по числу исследуемых изделий). Частота .и сопротивление ПР
контролируется и документируется с помощью ЭВМ. В системе определяются
параметры ТЧХ и производится отбраковка изделий с отклонениями.
В более совершенных системах осуществляется контроль ТЧХ большого
числа ПР, частоты которых лежат в пределах 1 ... 100 МГц. Например
аппаратура, разработанная в ПНР, позволяет контролировать одновременно 160
резонаторов, обеспечивая разрешающую способность по частоте 10~7 [23.31].
Аналогичная установка, использующая метод измерения в П-образном
четырехполюснике, дает возможность снимать ТЧХ одновременно 48 резонаторов
[23.32].
28Q

Для использования резонаторов в составе (измерительных установок
отечественная промышленность выпускает термокамеры ряда ТНР. Одна из
наиболее распространенных (многоместная термокамера типа ТНР-2) позволяет
устанавливать любую температуру в пределах —60 ... -ьЮОХ.
23.8. Определение влияния электрической, механической
и радиационной нагрузок
В процессе проведения электрических испытаний определяют
сопротивление изоляции и предельное напряжение, которое допускается прикладывать
к электродам дли между электродами и металлическим (корпусом ПР.
Сопротивление изоляции ПР составляет сотни — тысячи мегаом. Поэтому измерения
осуществляют с помощью мегаомметров. Контроль сопротивления изоляции
проводится, как правило, у небольшой выборки изделий из партии.
Стандартом предписывается измерить сопротивление при напряжении постоянного тока
A00±15) В [50].
Допускаемое напряжение определяют путем подачи на резонатор НЧ
сигнала, например, с частотой 50 Гц. Реже испытания проводят постоянным
напряжением. В процессе плавного увеличения напряжения по току, текущему
через ПР, контролируют отсутствие пробоя или газового разряда. Напряжение
0(бычно повышают до 100 ... 200 В.
Механические испытания ПР включают проверку на вибропрочнюсть или
виброустойчивость, ударопрочность или уд ар ©устойчивость, воздействие
линейных ускорений. В процессе испытаний измеряют только .частоту ПР. Измерение
проводят активным методом с использованием технологического генератора.
Схему возбуждения механически изолируют от ПР с тем, чтобы она не
подвергалась воздействию вибрации или ударов. Резонатор и схему возбуждения
соединяют .гибкими проводниками минимальной длины.
При испытании на вибростойкость ПР помещают на вибростенд, создают
колебания стола заданной частоты и амплитуды, измеряют частоту генерации
и определяют ее расстройку относительно исходной.
При испытании на вибропрочность контролируют частоту ПР до и после
выдержки его на вибростенде. Частоту [вибрации в процессе испытаний
изменяют плавно (метод качающейся частоты) или с задержкой на фиксированных
частотах. '
Испытания на ударопрочность и ударостойкость осуществляют с помощью
ударного стенда.. Резонатор крепится жестко на рабочем столе стенда и
механически развязывается со схемой возбуждения.
Влияние линейной нагрузки определяется по изменению частоты ПР после
«обкатки» его на центрифуге. Скорость вращения центрифуги выбирается
такой, чтобы обеспечить .заданное линейное (центробежное) ускорение.
При проведении испытаний ВЧ резонаторов (частоты свыше 10 МГц)
соединительные провода оказывают влияние на частоту генерации, которое может
приводить к существенным ошибкам. В этих случаях выполняют конструкцию
генератора такой, чтобы вибрация и удары оказывали минимальное влияние
на схему возбуждения. Генератор вместе с ПР жестко крепят к столу
испытательного стенда и проводят измерения.
Описанные методы позволяют оценивать усредненные на зна1чительных
интервалах отклонения частоты, вызванные механическим воздействием.
Нестабильность на коротких ин|тервала(Х времени отражается в появлении частотной,
фазовой и амплитудной модуляции генерируемого сигнала. Эти параметры
сигнала определяют с помощью девиометров, анализаторов спектра и других
опециализир ованных приборов.
Испытания на воздействие радиационных излучений (гамма-лучей и
быстрых нейтронов) проводят путем помещения ПР в ядерный реактор или в зону
воздействия ядерного взрыва. Изменения частоты .контролируют с помощью
специально разработанного генератора или универсального прибора. Эти
изменения составляют не менее 10~*7, поэтому сложной измерительной процедуры,
как правило, не требуежя. Генератор (схему возбуждения) изолируют от воз-
287

действия радиации. После воздействия ядерных излучении наблюдается
изменение скорости старения ПР. Поэтому методика и средства контроля должны
быть выбраны так, чтобы обеспечить -измерение долговременной стабильности
частоты.
23.9. Поверка аппаратуры для измерений параметров
резонаторов
Метрологическое обслуживание (МО) .призвано обеспечить сопоставимость
с высокой точностью результатов измерений, выполняемых с помощью
различных средств, в различных местах и в разное время. Основными этапам МО
являются аттестация и поверка приборов. Аппаратура для измерения
параметров ПР относится к разряду рабочих средств измерений. Аттестация и
поверка ее осуществляются с помощью образцовых мер или измерительных
приборов, образующих более -высокий разряд поверочной «схемы.
Система МО должна обеспечить такое состояние измерений, при котором
размер единиц, в которых выражаются параметры, был бы привязан к
размерам единиц основных физических величин: частоты (герц), сопротивления (ом)
и др. Такая привязка осуществляется в верхнем звене поверочной схемы.
В качестве исходного образцового средства в иьезотехшке принимают
измеритель параметров, в котором реализован фазовый метод измерения (рис. 23.23).
Образцовыми мерами (мерами параметров) по определению служат специально
изготовленные и аттестованные КР. Комплектов образцовых мер может быть
несколько, они подлежат передаче в заводские метрологические службы и
использованию для поверки рабочих измерителей. Особенности и методика
использования аттестованных КР описано в [23.33]. Погрешности поверки
приборов по частоте не превышают 5·10~7, по добротности и динамическим
параметрам не хуже 2... 5% в диапазоне частот 10 кГц ...200 МГц.
288

Электрические параметры ПР являются специфическими величинами,
отражающими резона::-! оные свойства объекта. Для большинства из них не
представляется возможным указать аналог в ряду физических величин,
согласование (размеров единиц которых осуществляется в рамках государственной
метрологической системы. В этом случае привязку исходного образцового средства
локальной схемы к основным физическим величинам выполняют путем
проведения метрологической· аттестации поэлементного вида. При поэлементной
аттестации определяют погрешности измерения параметров ПР косвенным способом
на основе результатов ^сличения с образцовыми средствами (эталонами)
величин, которые служат исходными при введении параметров. Например, при
аттестации измерителя частоты ПР обращаются к образцовым средствам
измерения частоты и фазы. На поверочной схеме рис. 23.23 это отражается
наличием связи образцовой установки со средствами измерений, заимствованными
из других поверочных схем.
В [23,1'4, 23.26] обосновывается целесообразность использования мостового
измерителя в качестве исходного образцового средства пьезокварцевой отрасли.
Е1-_атом... случае •достигается наименьшая потеря точности привязки к размерам
основных единиц международной системы. Комплекс вопросов МО образцовых
средств для рассматриваемой области измерений проанализирован в [23.33—
23.35].
Установка тина «Машук» отечественного производства, используемая в
качестве исходного образцового (Средства, реализует фазовый способ измерения
и обеспечивает воспроизведение единицы резонансной частоты с погрешностью
не более ,=ЬГ0-7 на частотах до 200 МГц. Специальная аппаратура на
фиксированные частоты позволяет снизить погрешность аттестации высокодобротных
мер (кварцевых резонаторов) до ДО-10 ...ТО-11 [23.19].
Анализ вариантов построения системы МО в области измерений параметров
ПР показывает следующее. Поверку /приборов, обладающих погрешностью 10-6
и более, целесообразно осуществлять комплектным способом с -помощью
образцовых мер. Приборы более высокой точности, а также измерители на частоту
свыше 100 МГц нужно поверять поэлементно. При организации системы
необходимо пользоваться указаниями государственных и отраслевых стандартов.
В соответствии со сложившейся практикой поверка рабочих приборов
осуществляется ведомственной метрологической службой пьезокварцевой отрасли.
Генераторы рядов ГК, ГДК, (ТГК, ТГКП и измерители параметров ИПР, ЙПРД
поверяются комплектным способом с использованием образцовых мер в виде
КР- Приборы, в которых используется' фазовый метод измерения (ТГК-1,
ИПФР-1, ИПРФ-45 и др.), поверяются поэлементно с использованием мер
фазового сдвига и частоты. Приборы для контроля уровня побочных резо-
нансов рядов ПМР, AMP, ИЧХФ, АЧХФ подвергаются поэлементной поверке.
Межповерочный материал для многих видов генераторов устанавливается
равным 3 мее., для измерителей (параметров — б мес.
Ряд современных приборов для измерения параметров ПР снабжается
элементами, служащими для систематического контроля основных метрологических
характеристик и соответствующей подстройки приборов. Элементы такого рода
в метрологии относят к мерам встроенного контроля. Использование
контрольных устройств повышает уровень метрологической надежности средств
измерений, позволяет обеспечивать высокую точность при работе на ВЧ. К
элементам такого назначения относятся настроечные резисторы и конденсаторы,
короткоеамыкатели и цепочки с калиброванным импедансом (фазой).
Литература к разделу 23
23.1. Piezoelectric quartz devices/Philips data handbook//Components and
materials, book 9. — 1984. — P. 96.
23.2. Хафнер Э. Пьезоэлектрический элемент — определения и методы изме-
рения//ТИИЭР. — 1969. — Т. 57. — Вып. 2. — С. 77—101.
23.3. Павличенко В. В., Фатеев Б. П. К вопросу об измерении эквивалентных
параметров кварцевых резонаторов на мостовом измерителе//Вопросы
радиоэлектроники. Сер. Радиоизмерительная техника. — 1968.— Вып. 4. — С. 104—110.
10—45 289

23.4. Smoliarski A. J. Miernictwo podstawowych parametrow resonatorow
kwarcowych//IV Krajowa konferencja piezoelekth. — Warszawa. — 1977. — S. 125—
128.
23.5. Павлов В. И., Геншафт Ю. ?., Кузьмин Ю. П. Измерительные
генераторы с полупассивным методом возбуждения//Электронная техника. Сер. 5. —
1976.— Вып. 2 A5). —С. 130—131.
23.6. Ильичев В. А, Некоторые принципы построения приборов для
непрерывного измерения динамического сопротивления кварцевых резонаторов в
интервале рабочих температур//Электронная техника. Сер. 9.— 1971. — Вып. 6.—
С. 118—126.
23.7. Sherman J. H. Trim sensitivity a useful characterization of a resonator//
Proc.33-rd ASFC—1979. —P. 181—185.
23.8. Huges S., Parfitt P., Hardy J. The measurement of load resonance
characteristics of quartz crystal using the zero-phase network//Proc. 32-nd ASFC. —
1978. —P. 337—343.
23.9. Иванчин В. Ф. Разработка и исследование аппаратуры для
автоматического измерения параметров пьезокерамических резонаторов: Дис. канд. техн.
наук. — М., 1971. — 120 с.
23.10. Ямамото С, Сугавара С, Томикава Я. Метод измерения параметров
эквивалентных схем пьезокерамических резонаторов//Нихон онке гаккай си. —
1978. —Т. 34. — № 8.— С. 455—461.
23.11. Gagnepain J, J. Fundamental noise studie of quartz resonators//Proc.
30-nd ASFC. — 1976. — P. 84—91.
23.12. Wainwright A. E., Wails F., Mc Caa W. Direct measurements of the
inherent frequency stability of quartz resonators//Proc. 28-th ASFC. — 1974. — P.
177—180.
23.13. Walls F. L., Wainwright A. E. Measurement of the shortterm stability
of quartz resonators and implication for crystal oscillator design//IEEE Trans, on
Instr. and Meas.—1975. IM-24. —N 1. —P. 15—20.
23.14. Hafner E., Ballato ?., Blomster C. Quartz crystal measurements//Proc(
24-th ASFC— 1979. —P. 177—190.
23.15. Euler F., YannonI N. F. Frequency retrace of quartz oscillators//Proc.
35-th ASFC— 1981. —P. 492—500.
23.16. Grenier R, Technique for crystal resonance measurements based on phase
detection in a transmission type measurement system//Proc. 22-nd ASFC— 1968.—
P. 259—268.
23Л7. Брызжев Л. Д., Дударчик В. ?., Охотина С. М. Точное определение
собственной частоты кварцевых резонаторов. — Исследования в области
радиоизмерений/Труды метрологических институтов СССР. — М.: Изд-во
Стандартов. — 1972. — Вып. 9. — С. 184—197.
23.18. Beaver W„ D., Van Loben Sels W. E., Wang M. Quartz crystal
measurements by a phase-amplitude method//Proc. 33-rd ASFC — 1979. — P. 189—200.
23.19. Fischer R., Schulzke L. Extending the frequency range of the
transmission line method for the measurement of quartz crystals up to 250 Mc//Proc. 31-si
ASFC—1977. —P. 96—101.
23.20. Давыдов Б. И. Снижение уровня возбуждения кварцевых резонаторов
при измерении их параметров.—М.: 1983 — 7 с. — Деп. в ЦНИИ «Электроника»,
№ 8960/83.
23.21. Павличенко В. В., Ульянин А. В. Измерение параметров кварцевых
резонаторов методом машинного анализа их амплитудных и фазовых
характеристик/Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. — 1979. —
Вып. 1 A9). —С. 24—29.
23.22. Tsuzuki Y., Toki M., Adachi ?. Automatic measurement of parameters of
VHF quartz crystal resonators//Proc. 33-rd ASFC — 1979. — P. 210—205.
23.23. Wojcicki M. Analiza dokladnosci pomiaru czestotliwosci rezonansu szere-
powego Fsi rezystancji dynamicznej Rt rezonatotow metoda mostkowa//Prace Inst,
tele-i radiotech.— 1975. — Vol. 19. —N 1. —С 17—30.
23.24. Wojcicki M., Smolarski A. Metoda pomiaru podstawowych parametrow
rezonatorow kwarcomych mosikiem admitancji wielkiej czestotiwosci/IV Krajowa
konferencja piezoelektroniki. — Warszawa, — 1977. — S. 182—185.
290

23.25. Layden 0., Ballato ?., Shibla С. Crystal parameter measurement//Instr,
and Control Systems. — 1970. — Vol. 43. -N2.-P. 67—69.
23.26. Malinovsky G. F., Snider G., Nyholm С implementation of an automatic
microcircuit measuring system for quartz crystals//Proc. 35-th ASFC — 1981. — P,
286—290.
23.27. Smythe R. C. An automated resonator measurement system using a
reflection coefficient bridge//Proc. 35-th ASFC. — 1981. — P. 280—285.
23.28. Давыдов Б. И. Эффект последействия электрического возбуждения
кварцевых резонаторов//Диэлектрики и полупроводники. — 1984. — № 28. — С,
22—24.
23.2)9. Михайлов ?. ?., Давыдов Б. И., Прокопович М. Р. Фазовые
измерения добротности кварцевого резонатора/Материалы 23 научно-технической
конференции кафедр института. — Изд. Хабаровского института инженеров желез-*
нодорожного транспорта. — 1974. — Вып. 9. — С. 31—33.
23.30. Adams Ch., Kusters J„ Benjaminson A. Measurement techniques for
quartz crysi?als//Proc. 22-nd ASFC— 1968.—"P. 245—258.
23.31. Podgorska В., Ksiazek J, Zestaw urzadzen do automatycznego wyz-
naczania temperaturowych characterystyk sredniostabilhych rezonatorow kwarco-
wych metoda aktywna. — IV Krajowa konferencja piezoelektroniki. — Warszawa.—
1977. — S. 23—25.
23.32. Pegeot C, Gagnepain J. Quartz crystal parameters measuring system//
IEEE Trans, on Instr. and Meas. — 1977. — IM-27. — N 4. — P. 300—304.
23.33. Давыдов Б. И. Вопросы исследования кварцевых резонаторов при
низком уровне возбуждения и создания специализированной измерительной
аппаратуры: Дис. канд. техн. наук. — М., 1986.— 148 с.
23.34. Давыдов Б. И. Метрологическое обеспечение измерений параметров
кварцевых резонаторов/Современные методы и аппаратура для измерения
параметров радиотехнических цепей. Доклады Всесоюзного симпозиума. —
Новосибирск: 1974. — С 73—75.
23.35. Metcalf W. S. Crystal measurements and standardization//Electron.—-
1975, Febr, —P. 62—63.
РАЗДЕЛ 24.
ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОРЕЗОНАТОРОВ'В ГЕНЕРАТОРАХ
24Д. Общие сведения
Для стабилизации частоты генераторов могут использоваться
пьезоэлектрические резонаторы из кварца, танталата лития, пьезокерамики и других
пьезоэлектрйков. Наиболее широко используются кварцевые резонаторы ввиду
их высокой эффективности при умеренной стоимости.
Теории и расчету кварцевых генераторов (КГ) посвящено (большое число
работ [24.1; 10, .17, 18, 25, 42, 44], однако результаты расчетов заметно
расходятся с экспериментальиыми данными, особенно в отношении
нестабильности частоты вышшстабильных генераторов. Одна из причин такого
несоответствия состоит в трудности учета (нелинейных явлений, играющих в КГ
существенную (роль.
Здесь частично освещен вопрос о влиянии нелинейности характеристик
резонаторов. Однако объем справочника ее позволяет рассмотреть работу КГ
с учетом нелинейных явлений в активных элементах схемы, которые
определяют амплитуду колебаний, а также вызывают небольшое смещение частоты, не
существенное для 'большинства случаев применения. При необходимости
сведения до этим вопросам (можно почерпнуть из овощей теории нелинейных
колебаний ? [43], а также из специальной литературы но КГ [24.1, 10, 11, ,21, 26,
28, 36, 41, 45, 48].
На практике КГ обычно (рассчитывают упрощенно, в линейном
приближении, выясняя в дальнейшем его характеристики путем испытаний макетов.
10*
291

Основная задача данного 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, предъявляемых
к резонатору.
24.2. Особенности пьезорезонаторов
Нестабильность частоты кварцевых генераторов на несколько порядков
меньше, чем LC-генераторон, благодаря высокой стабильности параметров и
высокому стабилизирующему действию кварцевого резонатора,
проявляющемуся в том, что относительные изменения частоты КГ оказываются во много
раз меньше вызвавших их относительных изменений параметров других
элементов схемы. Основой стабилизирующего действия резонатора является его
высокая добротность я высокая крутизна изменения реактивной 'составляющей
его проводимости (сопротивления) при изменении частоты.
Благодаря высокому (стабилизирующему действию резонатор определяет
частоту генератора, более чем на 99,8% «удерживая» ее вблизи своей
резонансной частоты. Однако и оставшиеся на долю схемы менее 0,2% весьма
существенны для генераторов средней и высокой стабильности [24.2].
Парциальный вклад компонентов схемы генератора в общую
нестабильность его частоты трудно поддается оценке по ряду причин. Во-первых,
режимы и условия работы компонентов в составе генератора, как правило,
существенно отличаются от предельных, оговоренных в технических условиях на
компоненты, а допустимая нестабильность их параметров обычно оговаривается
именно для предельных режимов эксплуатации. Кроме того, изготовитель
генераторов нередко прибегает к мерам дополнительной ста;билиза,щии
параметров компонентов схемы, поскольку максимальные допустимые согласно
техническим условиям изменения их значений оказываются неприемлемо, большими,
а меры дополнительной стабилизации — достаточно эффективными.
Во-вторых, для экспериментального определения реальной нестабильности
значений параметров компонентов требуется точность измерений, зачастую
лежащая за разумными пределами технических возможностей.
Значительное влияние на нестабильность частоты генератора могут
оказывать жонструктивно-технюлогические факторы, связанные с его
изготовлением,' что можно проиллюстрировать на примере вклада, вносимого печатной
платой. Для подстройки частоты генератора часто используется варикап,
включенный последовательно с кварцевым резонатором. Конструктивная емкость
печатной платы между точкой их соединения и общим проводом входит в состав
нагрузочной емкости (кварцевого резонатора. При неудачно разработанной
???? лоши печатной платы упомянутая конструктивная емкость может составлять
несколько пикофарад, а при использовании некачественного материала
печатной платы или в результате нарушений технологии изготовления изменения
конструктивной емкости уже в готовом генераторе могут достигать 1 лФ и
более, вызывая изменения частоты генератора порядка Ю-5, если использован
резонатор с колебаниями на основной частоте.
Стабилизирующее действие пьезорезонатора в значительной мере зависит
от его добротности. Важно учитывать, что реальная добротность
колебательной (системы генератора (под которой понимается резонатор с
присоединенными к нему реактивными элементами схемы, оказывающими существенное
влияние на частоту колебаний, а также резистивньши составляющими,
вносящими дополнительное затухание) всегда несколько ниже добротности
резонатора из-за потерь, вносимых другими элементами схемы.
Условия самовозбуждения пьезоэлектрического генератора, как и любого
другого, можно характеризовать через баланс фаз и баланс амплитуд.
Соблюдение этих условий означает, что в контуре самовозбуждения сдвиг фазы
сигнала равен 0 или кратен 2?, а модуль коэффициента передачи равен 1 при
стационарных колебаниях.
Для быстрого самовозбуждения генератора после подачи литания
необходимо, чтобы при отсутствии колебаний модуль (коэффициента передачи в нес-
*292

колькю ра-з превышал 1. Это его начальное значение называют
коэффициентом регенерации или запасом по самовозбуждению. Если коэффициент
регенерации ХР мал, то имеется опасность срыва колебаний при увеличении
сопротивления резонатора, например под влиянием старения или изменения
температуры. Для надежной (работы желательно иметь Кр=2 ... 10.
Время установления амплитуды колебаний генератора после включения
можно -приближенно оценить по формуле
*i*20Qc/2ji/(tfp—1),
где Qo—¦ действующая добротность колебательной системы.
Характерно, что при значениях коэффициента регенерации, ненамного
превышающих ,1, процесс установления амплитуды затягивается; это соответствует
уменьшению знаменателя формулы. Если же значение Кр достаточно велико,
например находится в предела 3 ... 5, то замена резонатора на другой,
имеющий ,в несколько раз (большую добротность, как правило, .слабо влияет на время
нарастания амплитуды как по причине одновременного увеличения числителя
и знаменателя формулы (К$ растет с ростом Q), так и по причине
отставания роста Qc от роста Q из-за влияния затухания, вносимого другими
компонентами схемы, приводящими к нивелировке Qc при достаточно высоких
значениях. Q.
Коэффициент регенерации нередко считают взаимосвязанным с уровнем
возбуждения резонатора;, полагая, что снижение мощности рассеяния на
резонаторе увеличивает риск срыва колебаний. В принципе такой взаимосвязи не
существует, и при необходимости соответствующими изменениями схемы
генератора можно добиться снижения уровня возбуждения резонатора
одновременно с увеличением коэффициента регенерации. Однако некоторые меры,
принимаемые с целью снижения уровня возбуждения резонатора, действительно
ведут часто к сопутствующему снижению коэффициента регенерации.
Например, если, не изменяя ничего в структуре генератора, понижать напряжение
его питания, то одновременно с понижением уровня возбуждения коэффициент
регенерации будет уменьшаться вплоть до срыва колебаний.
Поддержание незатухающих колебаний генераторов обеспечивается за счет
«подкачки» энергии в колебательную (систему активными элементами, в
качестве которых в КГ используются преимущественно полупроводниковые
приборы: биполярные или полевые транзисторы, туннельные диоды, интегральные
микросхемы. Полупроводниковый прибор по сравнению с вакуумной лампой
имеет большую надежность, меньшие габариты и массу, механически более
устойчив, потребляет значительно (меньшую (мощность и соответственно
выделяет гораздо меньше теплоты, он готов к работе сразу после подачи питания.
В КГ на полупроводниковых элементах значительно проще, чем в ламповых,
решается задача обеспечения достаточно малого уровня возбуждения
резонатора.
24.3. Генераторы с последовательным и параллельным
резонансами
Среди большого разнообразия встречающихся на практике типов
пьезоэлектрических генераторов (ПГ) большинство работает на частотах, лежащих
в промежутке между частотами последовательного и параллельного резонансов
ПР. Возбуждающая часть таких генераторов представляет для резонатора
полное сопротивление (проводимость) нагрузки, содержащее емкостную и рези-
ставную компоненты. Собственную параллельную емкость резонатора удобно
рассматривать как составляющую нагрузочной емкости, которая в принципе
может изменяться в пределах от значения параллельной емкости кварцевого
резонатора Со до бесконечности; последней соответствует короткое замыкание.
Эквивалентные схемы колебательной (системы генератора могут быть
приведены к видам, представленным на рис. 24.1,а, б. В этих схемах через Lu
d и Ri обозначены эквивалентные (динамические) параметры резонатора,,
через СР1 = Со-\-Ся — параллельная нагрузочная емкость, через Csr — после-
293

Рис.24Л. Эквивалентные схемы
колебательной системы (кварцевого генератора:
а ~~ с параллельным включением нагрузочной
емкости и сопротивления; б — с преобразованием
параллельного соединения в последовательное
довательная нагрузочная емкость.
Параллельное RPi и последовательное Rsr
сопротивления потерь учитывают затухание,,
вносимое в колебательную систему схемой,
возбуждения.
Обе схемы, приведенные на рис. 24.1 ^
полностью равнозначны и -преобразуются
одна в др!уг,ую /посредством -формул:
Добротность колебательной системы Qc (иногда ее ошибочно называют
нагруженной добротностью резонатора), от которой в значительной степени зависит
стабильность частоты генератора, оказывается ниже собственной добротности
резонатора Q согласно соотношению
Qc/Q^Rt/iRi + Rsr).
Если параллельная нагрузочная емкость постоянна, что характерно для
конкретных видов генераторов, то при определенном значении Rpi,
соответствующем максимуму Rsr, добротность- (колебательной системы имеет минимум.
Дифференцируя выражение для Rsr но RPi и приравнивая производную нулю,
получаем условие минимальной добротности колебательной системы: Rpi=\l($Cvir
при (котором
Rsr макс — 1/2<йСР1 и Qc
мин
Последние три формулы отражают самый неудачный вариант проектирования
генератора в отношении добротности колебательной системы.
Пример. Параметры кварцевого резонатора: /? =10 М;Гц; i?i=10 Ом; G —
= 0,02 пФ; Со = 5 пФ, нагрузочная емкость Сн = 20 пФ.
Добротность колебательной системы минимальна при Rpi = 637 Ом; она
равна Qс мин = 2420 при добротности резонатора Q=:8.0 000. Таким образом,
добротность колебательной системы приблизительно в 33 раза меньше
добротности резонатора.
При разработке схем пьезоэлектрических генераторов следует избегать
вариантов, подобных приведенному, и стремиться обеспечить соблюдение-
одного из двух условий: ($CPiRpi^> 10, при котором Csr~CPi, RSr&
~Rpil{(?>CpiRpiJ<g:0,blRpi) или (uCpiRpi<gilf при котором Rsr&RPi,
Сsr ~ Cpl/((uCPi RpiJ » lOOCpi.
При соблюдении первого условия преобладает емкостная составляющая
нагрузки со стороны схемы на резонатор, при соблюдении второго условия — ре-
зистивная составляющая. В соответствии с этим различают два основных
типа КГ.
1. Генераторы, в которых условие баланса фаз обеспечивается sa счет
индуктивной реакции пьезорезонатора. Колебательная система на рабочей
частоте подобна параллельному колебательному контуру. Генераторы такого типа
принято называть генераторами с положительным реактивным сопротивлением"
резонатора или генераторами с параллельным резонансом.
2. Генераторы, в которых пьезореэонатор работает вблизи минимума
своего полного сопротивления при малом сдвиге фазы между напряжением и то-
294

????. Колебательная, система на рабочей частоте подобна последовательному
колебательному контуру. Такие генераторы принято называть генераторами с
последовател ьным ?езонансом.
24.4. Частота возбуждения резонатора в генераторе (рабочая
частота)
Выражения для расстройки частоты возбуждения (генерации) можно
получить на основе анализа обобщенных эквивалентных схем пьезоэлектрических
генераторов, рассматриваемых в линейном приближении для режима
стационарных колебаний.
Подключив генератор тока /, отображающий активный элемент реальной
схемы, к .зажимам двухполюсника, показанного на рис. 2.7, получим
обобщенную эквивалентную схему генератора с параллельным резонансом (ом, § 2.6),
приведенную на рис. 24.2. Схема дополнена проводимостью gr, представляющей
собой сумму вещественных составляющих, пересчитанных к зажимам (резонатора
входной и выходной проводим остей активного элемента (например,
транзистора), а также проводимостей цепей связи активного элемента с резонатором.
Проводимость связана с сопротивлением Rvi в схеме на рис. 24.1,а формулой
Генератор тока / возбуждается напряжением С/р, падающим на
резонаторе. Через ?? обозначен сдвиг фазы тока / относительно напряжения ?/?)
увеличенный на ?. За начало отсчета взят угол ?, поскольку источник тока
характеризуется отрицательным внутренним сопротивлением. В идеальном
случае при <??=0 и gr*=0 резонатор оказывается в режиме холостого хода и
возбуждается точно на частоте антирезонанса /а с добавлением к С0 величины Сн1.
Под нагрузочной емкостью Ся\ следует понимать эквивалентную емкость со
стороны цепи возбуждения, которая остается постоянной в узком рабочем
диапазоне частот даже при наличии в (возбуждающей цепи индуктивностей
и колебательных контуров.
Анализ показывает, что при соблюдении условий
? (С0 + Ст) » gT tg ?? и ?>5
расстройка частоты генерации относительно частоты последовательного
резонанса резонатора с достаточной лля практики точностью определяется из
выражения
?///?»0,5{
С0 + Сц
1
gr tg ??
CD^Co + Gn)
B4. 1
Генератор необходимо проектировать так, чтобы второе слагаемое в
фигурных .скобках B4.1) было значительно меньше первого и, кроме того,
соблюла л ось н ер ав енство gr t g ? ? -С ? ?¦ (Со + Ск ?). При со бл юдении эти ? у слови и
расстройка частоты генератора в первом приближении определяется
формулой B.23).
^ис. 24.2. Обобщенная
эквивалентная схема кварцевого генератора^ с
параллельным резонансом
Рис. 24.3. Обобщенная
эквивалентная схема кварцевого генератора с
последовательным резонансом
295

Формула B4.1) позволяет оценить вклад схемы генератора в общую
нестабильность его частоты. Для этого достаточно сравнить, между собой
значения расстройки частоты, рассчитанные для разных предполагаемых «ли
измеренных значений параметров обобщенной схемы на рис. 24.2.
Действующую добротность колебательной системы с достаточной для
практики точностью можно найти до формуле
Qc*Q/(l+grR*B)>
где i?23=l/co2(Co + CHiJi?i — эквивалентное параллельное сопротивление
резонатора с данной нагрузочной емкостью.
Обобщенная эквивалентная схема генератора с последовательным резонлн-
сам (рис. 24.3) получается при подключен/ни к зажимам двухполюсника,
изображенного на рис, 2.6,а, генератора ЭДС Ё, возбуждаемoiro протекающим
через резонатор током /р. На этой схеме срг — сдвиг фазы ЭДС Ё
относительно тока /р, увеличенный на ?, гт — активная составляющая суммы·
входного и выходного сопротивлений возбуждающей цепи; СН2 — емкость
конденсатора, включенного последовательно с резонатором (к ней может быть
пересчитана и реактивная составляющая входного и выходного еопрогтивлений
возбуждающей цепи). Если Сн2 = °°, то в идеальном случае при гг=0 и хрг^О
резонатор оказывается в режиме короткого замыкания и возбуждается точно<
на 'частоте резонанса fr.
При ограничениях Ся2^>Со и бо<0,15, обычно выполняющихся на
частотах до 30 МГц (если ?0>>0,15, следует прибегать ж компенсации или
нейтрализации параллельной емкости резонатора), расстройка частоты ооределяется.
из выражения
—~^—- [1 + ? (С. + СН2) гг tg ?2] + <??(?0 + tg ф1)} . B4.2>
В отличие от B4.1) формула B4.2) остается 'справедливой при юколь у годно-
больших значениях нагрузочной емкости. Бели же .расстройка должна
содержать стабильную составляющую (например, в технологическом генераторе при
настройке на номинальную частоту резонаторов, предназначенных для
генераторов с параллельным резонансом), существенно превосходящую допустимую
нестабильность частоты, то эта расстройка должна определяться членом
Ci/2(Co + CH2), т. е. для схемы на рис. 24.3 справедливо выражение B.12).
По формуле B4.2) также можно оценить вклад схемы в общую
нестабильность частоты: 'генератора, используя ее по аналогии с B4.1).
Действующую добротность колебательной системы можно найти по
формуле
Qc^Qll+rr/R^l + Co/C^].
24.5. Признаки и особенности генераторов с последовательным
и параллельным резонансами
В предыдущих параграфах пьезоэлектрические генераторы разделены на
генераторы с параллельным и 'последовательным резонансом по типу
колебательной системы. Не следует смешивать эти понятия с 'близостью частоты
колебаний генератора к какой-либо из характеристических частот пьезорезонато-
ра. Под 'близостью здесь понимается отношение разности между частотой
генерации и характеристической частотой к ширине резонансного промежутка
пьезорезонатора. Чем меньше это отношение, тем ближе частота генерации
к характеристической.
Чрезвычайно редко практикуется работа вблизи частоты параллельного
резонанса резонатора. Рабочая частота генератора с параллельным резонансом
может быть 'близка к частоте последов а тельного резонанса и даже быть ниже
ее. Чтобы достичь этого, достаточно последовательно с резонатором включить
подходящую катушку индуктивности. И наоборот, если в генераторе с после-
до1вательным резонансом включить последовательно с резонаторам конденса-
296

«гор малой емкости, ?? частота шестится вверх в область, характерную для
.генераторов с параллельным резонансом.
Чтобы разобраться, к какому из двух типов отнести какой-либо реальный
вариант генератора (а иногда встречаются довольно сложные случаи),
целесообразно прежде всего выделить колебательную систему, а внутри нее —часть,
которая может быть эквивалентно заменена приведенным резонатором. В
простейших случаях это двухполюсники, изображенные на рис. 2.6,а, в, т. е.
кварцевый резонатор с последовательно подключенным конденсатором или
катушкой индуктивности. В -более сложных случаях может быть катушка
индуктивности параллельно (резонатору для компенсации С0> варикап последовательно
с резонатором и резисторы, через которые на варикап подается управляющее
напряжение. Могут быть различные сочетания упоминавшихся элементов,
сводящиеся для высокочастотных сигналов к двухполюсникам.
После выделения приведенного резонатора следует рассмотреть, в каком
варианте он работает. Если условие баланса фаз генератора обеспечивается
за счет индуктивной реакции приведенного Грезонатора/ то имеет" место
генератор с параллельным резонансом. Если же приведенный резонатор на частоте
возбуждения имеет низкое полное сопротивление и схема работоспособна при
нулевом сдвиге фазы между напряжением на нем и током через него, то имеет
место генератор с последовательным резонансом.
Одним из характерных признаков, присущих каждому типу генераторов,
является сдвиг фазы сигнала в активной (усилительной) части генератора и
IB колебательной системе.
У генераторов с параллельным резонансом сдвиг фазы сигнала в усилителе
обычно близок к —я, а в колебательной системе — близок к -f-? или —я.
У генератора с последовательным резонансом сдвиг фазы в колебательной
системе обычно близок к 0, а в дативной части —¦' 0 или —2п.
Другим важным признаком является значение активной составляющей
входного и выходного сопротивлений усилительной части схемы в сравнении
с полным 'сопротивлением колебательной системы в точках их (стыковки. Для
генераторов с параллельным резонансом характерно высокое входное и
выходное сопротивление усилителя по сравнению с выходным и входным полным
сопротивлением колебательной системы; чем выше сопротивление усилителя,
тем меньшее затухание он вносит в колебательную систему и тем выше ее
добротность. Для генераторов с последовательным -резонансом характерно
низкое значение активной составляющей входного и выходного сопротивлений
усилителя; чем они меньше, тем меньшее затухание вносится усилителем в
колебательную систему.
Величина вносимого в колебательную систему сопротивления (см. рис.
''24.1,6) или степень понижения добротности колебательной системы по
сравнению с собственной добротностью кварцевого резонатора является
существенным показателем качества разработки схемы генератора. Для обычных
случаев приемлемая область значений отношения Rsr/Ri находится приблизительно
в пределах 0,5... 2. Поскольку величина Ri имеет значительный
технологический разброс, то при изготовлении большого числа однотипных генераторов
следует обеспечивать соблюдение рекомендов-анной величины этого отношения
для резонаторов с максимальным допустимым Ru
В некоторых случаях от вышеприведенных рекомендаций целесообразно
отступать. Например, при проектировании высок оста бильных кварцевых
генераторов с жесткими требованиями к кратковременной нестабильноата частоты
используют преимущественно прецизионные резонаторы среза AT на частоту 2,5
или 5 МГц, работающие на пятом обертоне, или резонаторы ТД, работающие
,;на третьем обертоне. Резонаторы такого типа имеют добротность обычно более
106. (Кроме того, для них характерна сравнительно высокая воспроизводимость
сопротивления (и добротности) от образца к образцу. Кратковременная
^нестабильность частоты генератора тем меньше, чем выше добротность
колебательной системы, поэтому с целью ее приближения к собственной добротности
резонатора следует стремиться к соблюдению неравенства (Rsr/Ri) <0,5.
Поскольку сопротивление прецизионных резонаторов на частоту 5 МГц обычно
лежит.в пределах 40 ... 70 Ом, то необходимо, чтобы вносимое схемой
сопротивление не превышало 10... 30 Ом. 'Низкие значения входного и выходного
297

сопротивления возбуждающей .части несложно обеспечить в двухкаюкадаых.
генераторах с последовательным (резонансом, например с транзисторами, один.
из которых включен по схеме с общей базой, а второй — с общим
коллектором (двухкаскаднаи схема Батлера). Однако в составе прецизионных
'кварцевых автогенератор??? не (рекомендуется применять многюкаокадные
усилители, так как каждый лишний каскад является источник ом дополнительной.
нестабильности [24.2], Кроме того, в составе колебательной системы
высокостабильного КГ нежелательно присутствие катушек индуктивности из-за
меньшей (стабильности их параметров по сравнению, например, с параметрами
конденсаторов. Указанные (причины обусловили широкое использование в
прецизионных КГ емкостной трехточечной схемы, которую /многие специалисты
считают одной из лучших [44]. Дли обеспечения низкого вносимого в
колебательную систему сопротивления, а также с щелью уменьшения влияния на
частоту нестабильности емкостей транзистора в прецизионных генераторах
нагрузочная емкость должна быть (большой (ЮО пФ и более).
При достаточно большой нагрузочной емкости вносимое схемой в
колебательную систему сопротивление Rsr оказывается достаточно /малым даже при
сравнительно небольших значениях RPi, что позволяет в обоснованных случаях
отступать от рекомендованного в § 24.3 для генераторов с (параллельным ре
зонаиеом соотношения >mCpiRpi^>lQ. В (частности, если использовать в емкост
ной трехточечной схеме конденсаторы с одинаковой емкостью С и зашунти-
ровать каждый из них сопротивлением R, близким по значению 2/?? (более,
точные значения компонентов и режим (транзистора можно рассчитать по
данным [24.3]), то можно обеспечить устойчивую работу резонатора на пятом
обертоне и надежное подавление возбуждения на основной частоте и .третьем
обертоне при отсутствии в схеме катушек индуктивности.
Следует, однако, (учитывать, что увеличение нагрузочной емкости в
трехточечных 'схемах требует увеличения крутизны транзистора, .следовательно, и
его режимного тока. Но более серьезными факторами, ограничивающими
увеличение нагрузочной емкости, являются возрастание мощности рассеяния на
резонаторе, ведущее к повышению нестабильности частоты, а также возрастание
влияния изменений сопротивления резонатора на частоту, являющееся
дополнительным источником ее нестабильности, что (следует из наличия компоненты
iu2id(Co + CHi)^2i в формуле B4.1).
Однако уменьшение нагрузочной емкости ведет к возрастанию
нестабильности частоты, вызываемой ее вариациями, связанными с подключением
внешней нагрузки к генератору, нестабильностью собственных емкостей активного
элемента, Зависящих от температуры, режима, формы импульса и т. п.
Таким образом, как при слишком малом, так ,и при чрезмерно 'большом
значении нагрузочной емкости нестабильность частоты генератора с
параллельным резонансом возрастает. Вопрос о выборе нагрузочной емкости является
одним из основных, решаемых в процессе проектирования генератора. На
практике (следует выбирать нагрузочную емкость так, чтобы частота генерации
не выходила примерно за одну четверть резонансного промежутка, от fr до fa,
соблюдая также неравенство ?>5, чему приближенно соответствуют
соотношения 1/Eон^1)^Сн1^3Со. В это неравенство нужно подставлять максимально
допустимые сопротивления резонаторов, которые предполагается использовать.
Неравенство можно использовать для оценки пригодности резонатора,, а также
на начальных стадиях проектирования генератора.
Усредненное значение нагрузочной емкости у однотипных генераторов
должно соответствовать стандартизованному ряду: 20; 30; 50 и 100 пФ [50].
Нагрузочная емкость в каждом отдельном экземпляре однотипных рабочих
генераторов может отличаться от стандартизованных значений вследствие
регулировки органов настройки генераторов на номинальную частоту или за счет
действия других систем управления частотой (например, у термокомпенсиро-
ванных генераторов).
Генераторы с последовательным резонансом свободны от ограничений
нагрузочной емкости сверху, ограничения на минимальные значения примерно
те же, что и для генераторов с параллельным.резонансом.
Генераторы с параллельным и с последовательным резонансом имеют в
известной степени взаимно противоположный характер зависимости мощности,.
298

рассеиваемой на резонатаре, от 'сопротивления Ri. Если для какой-то области
значений Rt напряжение на резонаторе слабо зависит от его сопротивления, то
уменьшение Ri приводит к снижению рассеиваемой на резонаторе мощности
в генераторах с параллельным резонансом и к ее увеличению — в
генераторах с последовательным резонансом.
24.6. Расчет рассеиваемой мощности, измерение исходных
данных
Влияние мощности, рассеиваемой на резонаторе, на его параметры
рассмотрено в разд. 25. Для расчета этой мощности необходимо располагать либо
значением напряжения на резонаторе 1/р и значением активной составляющей
его проводимости, определяемой формулой B.4), либо значениями тока /
через резонатор и активной составляющей его сопротивления Rp, определяемой
формулой B.6). Мощность рассчитывается но одной из формул
Следует иметь в виду, что деление U2 на R-9 или /2 на. Gv с целью
нахождения мощности было бы пру бой ошибкой, так как Gp^'1/i^p. Напряжение на
резонаторе равно напряжению на активной и 'реактивной составляющих его
проводимости, но напряжения на активной Rp и реактивной Хр
составляющих его сопротивления не равны 1)р (разумеется, если реактивные
составляющие не равны 0). Ток через резонатор равен току через активную Rv и
реактивную .?р составляющие его сопротивления, но токи через активную и
реактивную составляющие его проводимости в общем случае не равны /р.
Измерение падения напряжения на резонаторе имеет определенную специфику.
Во многих случаях ни один из электродов пьезорезонатара не соединен
с общим проводом схемы генератора;; иго этой причине для измерения падения
напряжения на резонаторе, вообще говоря, предпочтительно использовать
дифференциальный вольтметр. При его отсутствии напряжение приходится
измерять поочередно на одном, затем на другом электроде резонатора.
Необходимо еще знать фазовый угол ai2 между этими напряжениями. Тогда падение
напряжения на резонаторе можно определить по формуле
?/р = t/i— l/2cosa12,
где U± и с72 — измеренные действующие значения напряжения первой
гармоники рабочей частоты генератора на выводах 'резонатора.
Угол ??2 не следует рассматривать как угол между током через резонатор
и напряжением на резонаторе. -В общем случае это углы разные, а совпадают
они лишь тогда, когда резонатор подключен к чисто активному сопротивлению
нагрузки тем из электродов, на котором напряжение меньше тж> модулю.
Разумеется, активная и реактивная составляющие входной '.проводимости
пробника вольтметра должны (быть достаточно малы по сравнению с
проводимостью в той точке схемы, куда пробник подключается, в противном случае они
будут искажать результат измерения.
Измерения дополнительно осложняются в том, весьма широко
распространенном случае, когда форма напряжений на электродах существенно
отличается от синусоидальной, поскольку Ui и 1/2 — действующие -значения
гармонической составляющей рабочей частоты, а ??2 — угол между ними.
Дифференциальных селективных милливольтметров не существует, как и
се л ектщвных ? а з ом етр ??? -милливо льтметров.
При определении активной (составляющей проводимости резонатора,
входящей в формулу (расчета (мощности, немалые трудности может представлять
определение обобщенной расстройки, зависящей от добротности резонатора.
Точные измерения мощности, рассеиваемой на резонаторе, весьма сложны
и трудоемки. Однако высокая /точность нужна лишь в специальных случаях,
например при исследовании зависимости частоты или других параметров
резонатора от уровня вовбуждения, а при этом и схема, в которую включается
резонатор,, может быть специально выполнена с учетом обеопечения удобства
299

измерения необходимых данных. Что же касается вопросов практического
применения иьезорезонаторов для стабилизации частоты генераторов, ??? здесь
требуются значительно более 'простые и менее трудоемкие методы
приближенной оценки 'мощности рассеяния.
Оценка мощности значительно упрощается, если на одном из электродов
резонатора напряжение во много раз меньше, чем на другом (меньшим нал-
ряжением можно пренебречь). В этом смысле наиболее благоприятен случай,
когда один из электродов резонатора заземлен. Если большее напряжение
несинусоидально, то для измерения его гармонической составляющей следует
воспользоваться селективным вольтметром.
В (ряде случаев -напряжения на выводах 'резонатора соизмеримы между
собой, так что ни одним из них пренебрегать нельзя, зато заранее известен сдвиг
фазы напряжений на выводах резонатора (или приведенного резонатора).
Например, в том из вариантов емкостной трехточечной схемы, в котором
каждый из двух конденсаторов присоединен к общему проводу одним из
электродов (схема Пирса), сдвиг фазы между гармоническими составляющими
напряжений рабочей частоты на этих конденсаторах близок к ? по
абсолютной величине, поэтому модуль разности напряжений на них (т. е. напряжение
на резонаторе) приблизительно равен сумме модулей напряжений на
конденсаторах. Измерить их можно при малых (искажениях широкополосным
милливольтметром, при значительных — селективным. Грубо оценить значения
напряжений можно и по экрану осциллографа. Бели сдвиг фазы в 'усилительном
элементе (генератора отличен от ?, то найденное таким образом напряжение
на резонаторе окажется несколько завышенным, а когда точное определение
мощности затруднено, то завышенная оценка предпочтительнее заниженной.
Для расчета мощности кроме напряжения на резонаторе необходимо знать
активную составляющую его проводимости. 'Применительно к генераторам с
параллельным резонансом вместо точного ее значения почти всегда можно
использовать приближенное '(см. § 2.2). &р^ш2(Со-НСнJ#1=1/^2э.
У генератора с последовательным резонансом сдвиг фазы напряжений
между выводами резонатора (или приведенного резонатора) обычно близок
к 0. Поэтому напряжение на резонаторе можно найти как разность
напряжений на его выводах При отличии сдвига фазы между напряжениями от 0
найденное таким образом напряжение на резонаторе оказывается заниженным,
следовательно, занижается и мощность. Завышенная оценка получается, если
пренебречь меньшим напряжением по (Сравнению с большим. При неаннусо-
идальной форме напряжении следует использовать селективный вольтметр.
Применительно к генераторам с последовательным резонансом
необходимая для расчета мощности формула активной составляющей проводимости мо*
жет быть упрощена с учетом того, что обычно 5<С1 у приведенного резонатора.
Тогда &?~1/^?3A+?2) ~ \IR\q и для оценок можно использовать формулу
Если последовательно с резонатором включен конденсатор, то можно
считать, что вся мощность, рассчитанная для приведенного резонатора,
рассеивается на самом пьезорезонаторе. Если же последовательно с резонатором
включена катушка индуктивности-, то рассчитанная для приведенного
резонатора мощность рассеяния распределяется между пьезорезонатором и катушкой
Приблизительно прямо пропорционально отношению сопротивления резонатора
к сопротивлению потерь катушки.
Мощность, рассеиваемая на резонаторе, может быть рассчитана также по>
результатам (Измерения тока через резонатор. Наиболее удобно это делать для
таких схем, в которых один из электродов резонатора заземлен
непосредственно или через конденсатор (либо через варикап). В этом случае электрод
резонатора (или конденсатора) отсоединяют от земли, включают между ними'
дополнительный резистор и в работающем генераторе измеряют на нем
напряжение. Так через резонатор определяют, разделив это напряжение на
сопротивление резистора. Преимуществом такого приема является возможность
использования широкополосного вольтметра, так как даже при сильно
искаженной форме напряжения на «дальнем» электроде резонатора через него шроте-
?00

каст практически синусоидальный ток ввиду его высокой добротности, поэтому
напряжение на дополнительном резисторе также оказывается 'синусоидальным.
Очевидный (Недостаток способа состоит в том, что включение дополнительного
резистора последовательно с резонатором несколько изменяет режим работы
генератора, следовательно, и рассеиваемую на резонаторе мощность. Чтобы
погрешность измерения была не слишком велика, сопротивление
дополнительного резистора должно быть значительно меньше полного сопротивления
резонатора на рабочей частоте. Можно следить за влиянием дополнительного
сопротивления, например, по уровню чувствительного к нему сигнала в какой-
либо контрольной точке схемы. Однако сопротивление должно быть
достаточным, чтобы, можно было измерить напряжение на нем более точно.
Активная составляющая сопротивления резонатора в схемах с
параллельным и последовательным резонансом рассчитывается по формуле #P~i?i(l +
+ Со/СпJ, поэтому для оценки мощности через ток можно использовать
выражение Pp^/2pi?i(l+Co/CnJ. Важно учитывать особенность применения
последней формулы к генераторам с параллельным резонансом, заключающуюся в
том, что в качестве Сп в нее необходимо подставлять не полное значение
нагрузочной емкости, а емкость элемента (конденсатора или варикапа),
включенного последовательно с резонатором для подстройки частоты. Через этот
элемент протекает такой же ток, как и через резонатор. При отсутствии элемента
ПОДСТРОЙКИ Сп = оо и Pp^/2pi?i.
В 'заключение приведено несколько примеров схем кварцевых генераторов
с рекомендациями по измерению исходных данных и оценке мощности,
рассеиваемой на резонаторе.
Пример 1. Емкостная трех точечная схема на транзисторе с заземленным
эмиттером (схема Пирса, рис. 24.4).
Напряжения U\ и U2 рекомендуется измерять селективным вольтметром:
??^(?/? + ^2J?2
Ci C2
Q + Cs
Со 1 +
Hi-
Пример. 2. Емкостная трехточечная схема на транзисторе с заземленным
коллектором (схема Колпитца, рис, 24.5).
Напряжение ?/рэ рекомендуется измерять селективным вольтметром,
напряжение U г — широкополосным:
Р ~lfl m*( ClCa
??~^? [ Ci + c2
- замкнуто накоротко,
Ut
1 +
Со
jRii r включено,
рекомендуется соблюдать: r<0,3(l-fC0/CnJ^i; Ur>30 мВ.
Пример 3. Резонатор в цепи обратной связи неин в ер тирующего усилителя
(рис. 24.6).
Dh
Си
4
:?г,-
lf>
<%
¦л—?
СП
I.
^?0?
—? Ь ? J
Urnr ? cz
?
1
V?4\\
Рис. 24.4. Емкостная
трехточечная схема
кварцевого генератора
с заземленным
эмиттером (схема Пирса)
Рис. 24.5. Емкостная Рис. 24.6. Схема кварце-
трехточечная схема вого генератора на
некварцевого генератора с инвертирующем усили-
заземленным коллекто- теле
ром (схема Колпитца)
301

Напряжения U± и U2 рекомендуется измерять селективным вольтметром:
? -¦ (Ц* ~"Ц^
24.7. Соответствие параметров резонатора схеме генератора
Пьезоэлектрические генераторы в зависимости от назначения могут сильно
различаться по стабильности частоты: от нестабильности порядка 10~3 и
более, когда резонатор применяется вместо обычного LC-контура, до суточной
нестабильности 10"1, когда стабилизирующие свойства кварца используются
почти на пределе. Очевидно, что высокостабильный ПГ может быть построен
лишь на основе высокостабильного и высокодобротного резонатора. При
разработке генераторов умеренной стабильности следует избегать использования
резонаторов более высокого качества, чем это необходимо для получения
требуемых параметров.
Чем выше качество резонатора, тем сложнее он в производстве и дороже.
Кроме того, в одном и том же генераторе более добротный резонатор может
вести себя не лучше или даже хуже, чем менее добротный, если режим
работы оказывается для первою менее 'благоприятным, чем для второго. Как
правило, чем добротнее резонатор, тем критичнее его параметры к уровню
возбуждения. Нередко у высокодобротных резонаторов сильнее выражены
побочные резонансы, причем их влияние растет с повышением уровня возбуждения.
Чем лучше резонатор, тем более тщательного проектирования и исполнения
требует схема для реализации его качества и получения высокой
стабильности частоты.
Для создания высокостабильных КГ (суточная нестабильность менее 10~8)
используются прецизионные кварцевые резонаторы преимущественно на частоты
I; 2,5; 5 или 10 МГц с добротностью порядка 106 и выше. Генератор обычно
строится по емкостной трехточечной схеме с биполярным, реже с полевым тран*
зистором. Высокостабильные КГ термостатируются, точность поддержания
температуры резонатора 0,01 ... 0,001 °С. Температура должна соответствовать
экстремуму ТЧХ. В кварцевых генераторах должны применяться стабильные
компоненты, параметры которых слабо зависят от времени, климатических и
механических воздействий. Должен быть обеспечен облегченный режим работы для
всех элементов схемы. Рассеиваемая на резонаторе мощность не должна
превышать 10 мкВт.
Если к КГ предъявляются умеренные требования по стабильности частоты
(например, допустима нестабильность порядка 10~~6 или больше), то обычно
достаточно, чтобы резонатор имел добротность в несколько десятков тнеяч,
а вид схемы КГ не имеет особого значения, важно лишь избежать грубых
ошибок в ее расчете. У резонаторов, работающих на основной частоте, по
мере повышения частоты наблюдается уменьшение эквивалентного
сопротивления. Так, у КР на частоты ¦ в несколько килогерц сопротивления могут
превышать 100 кОм, а у резонаторов на частоты 20 ... 30 МГц — составлять
несколько ом при одинаковой добротности. Это обстоятельство и должно
определять выбор схемы, режима активных элементов и т. п. Очевидно, что чем
выше частота ПГ, тем более высокочастотный активный элемент необходимо
использовать для обеспечения достаточно высокого значения коэффициента
регенерации. Кроме того, с улучшением частотных свойств активного элемента
уменьшаются фазовый угол ? и его вариации, а также нестабильная
составляющая нагрузочной емкости 6СН, что, как видно из B4.1) и B4.12),
способствует уменьшению нестабильности частоты. По мере повышения частоты
транзисторных КГ приходится увеличивать режимные токи транзисторов, значения
которых лежат в пределах от нескольких 'микроампер у генераторов на
транзисторах МДП-структуры для наручных электронных часов до нескольких
миллиампер у генераторов на частоту десятки мегагерц и выше.
Схему ПГ необходимо проектировать так, чтобы она обеспечивала
коэффициент регенерации не менее 1,5 ...2 при максимальном сопротивлении резонатора
и была некритичной к уменьшению сопротивления, поскольку оно может зна-
302

чительно изменяться от образца к образцу. Сопротивление может также
изменяться от температуры так, что отношение максимального значения к
минимальному достигает 3 ... 5, а иногда превышает 10. Оговаривать минимально
допустимое сопротивление нецелесообразно, поскольку это препятствует
повышению качества резонаторов и затрудняет производство.
В отношении устойчивости к механическим и климатическим воздействиям
к резонатору, как правило, предъявляются более высокие требования, чем к
ПГ. Однако возможны отступления. Например, если корпус генератора
герметизирован и заполнен осушенным газом, то нет причины требовать устойчивости
резонатора к воздействию повышенной влажности, росы и т. п. Если
резонатор амортизирован, то по механической устойчивости к нему могут
предъявляться менее жесткие требования, чем к ПГ в целом.
24.8. Особенности резонаторов, предназначенных
для управляемых по частоте генераторов
Управляемость по частоте и стабильность частоты КГ являются в
известной мере противоречивыми требованиями. Из B4.1), B.23), B4.2) и B.12)
следует, что, чем меньше емкость Сх и выше добротность резонатора, тем меньше
изменение частоты генератора при колебаниях нагрузочной емкости и фазового
угла, вызываемых вариациями напряжения питания, подключением нагрузки
и другими влияниями. По этим причинам обертонные резонаторы обладают
более высоким стабилизирующим действием по сравнению с резонаторами,
работающими на основной частоте.
Малое значение емкости Ci затрудняет использование о^бертонных
резонаторов в управляемых генераторах (частотно-модулируемых, частотно-манипули-
руемых и термокомпенсированных). Генератор перестраивают по частоте путем
изменения нагрузочной емкости. Как видно из идентичных формул B.12) и
B 23), изменение нагрузочной емкости от С'н до С"н ведет к изменению
частоты ,
(Г - /')//? = о,5Сх (с'а - с'яI[(с0 + с;) (с„ + c"R)].
Поскольку пределы перестройки частоты пропорциональны значению емкости
Сь в управляемых КГ применяются только резонаторы, работающие на
основной частоте, реже — на третьем обертоне.
Расширение пределов перестройки частоты КГ мокет быть достигнуто, как
это следует из B.20), включением последовательно с резонатором катушки
индуктивности, а перестройка может производиться изменением этой
индуктивности. Включением катушки индуктивности параллельно резонатору можно
скомпенсировать емкость С0 и в известной степени повысить активность
резонатора. Не следует игнорировать то обстоятельство, что катушки
индуктивности являются менее добротными, менее стабильными и более дорогими
элементами, чем конденсаторы, поэтому применять их в схемах КГ следует, лишь
когда к этому имеются серьезные основания.
Ряд дополнительных требований предъявляется к резонаторам,
предназначенным для термокомпенсированных КГ. Прежде всего, это требования к
форме кривой ТЧХ. Кривая должна быть гладкой, т. е. не иметь искажений
типа пиков, извилистости, ступенек, уплощений и т. п. Хотя интенсивное
развитие методов термокомпенсации за последние годы и привело к созданию
принципиальной возможности высокоточной цифровой компенсации даже при
наличии некоторых видов искажений ТЧХ, требование отсутствия таких
искажений не потеряло своей актуальности, а наоборот, становится все более
настоятельным в связи с тенденцией повышения стабильности частоты
термокомпенсированных генераторов.
Не теряет своей актуальности задача совершенствования контроля формы
ТЧХ — повышения точности и производительности. Целесообразно
контролировать ТЧХ, а также температурную характеристику сопротивления льезорезо-
натора за один температурный цикл, поскольку резкие температурные
изменения сопротивления обычно коррелируются с искажениями ТЧХ и могут служить
дополнительными признаками для их выявления,
303

Задавая требования к ТЧХ, следует оговаривать допустимое наибольшее
изменение частоты резонатора в заданном диапазоне температур, число
экстремумов и перегибов кривой. Накладывать более жесткие ограничения на
форму кривой ТЧХ нецелесообразно, так как при этом затрудняется производство
резонаторов, а ощутимых преимуществ для осуществления термокомпенсации
не достигается.
В термокомпенсированном КГ резонатор работает при температуре
окружающей среды и если она изменяется в широких пределах, то необходимо
соответствующим образом ограничивать допустимую нестабильность частоты
резонатора при воздействии циклического изменения температуры.
Тепловая инерция резонаторов, предназначенных для термокомпенсирован-
ных генераторов, должна быть по возможности небольшой, поскольку при
быстрых изменениях окружающей температуры компенсация может нарушаться.
24.9. Проверка генератора на соответствие требованиям,
предъявляемым к резонатору
После выполнения расчетов схемы ПГ необходимо провести его
экспериментальную проверку и доработку. Генератор надежно самовозбуждается при
достаточно высоком коэффициенте регенерации. С целью экспериментального
определения его значения устанавливают минимально допустимое напряжение
питания, а затем искусственно понижают добротность колебательной системы,
доводя до срыва колебаний. У генераторов с последовательным и параллельным
резонансами это делается по-разному. У генераторов с последовательным
резонансом следует последовательно с резонатором поочередно включать резисторы
все большего сопротивления до тех пор, пока не наступит срыв колебаний. Затем
сопротивление уменьшают шагами в 10 ... 20 % ДО возникновения колебаний.
Сумма дополнительного и эквивалентного сопротивлений приблизительно
соответствуют единичному коэффициенту регенерации. Если последовательно с
резонатором включен подстроечный элемент, то образованный двухполюсник следует
рассматривать в качестве приведенного резонатора, и, пользуясь формулами
B.14), B.19) и B.22), складывать добавочное сопротивление с эквивалентным
последовательным сопротивлением. Отношение полученной суммы к
эквивалентному последовательному сопротивлению (при отсутствии подстроечного
элемента —· к /??) дает значение коэффициента регенерации.
У генераторов с параллельным резонансом резисторы необходимо
подключать параллельно резонатору через разделительный конденсатор. Если
последовательно с резонатором включен подстроечный элемент, то резистор следует
подключать параллельно двухполюснику, образованному резонатором и
подстроенным элементом. Включая поочередно шунтирующие резисторы с
уменьшающимися сопротивлениями, добиваются срыва колебаний КГ. Затем сопротивление
увеличивают шагами в 10... 20% до возникновения колебаний. Рассчитывают
результирующее сопротивление, образованное параллельным соединением
шунтирующего сопротивления и сопротивления ^2э, определяемого по формуле B.25).
Из найденного результирующего сопротивления с использованием B.25)
можно определить сопротивление Rh соответствующее границе срыва колебаний.
Коэффициент регенерации находят как частное от деления эквивалентного
параллельного сопротивления R2* на результирующее сопротивление, приблизительно
соответствующее единичному коэффициенту регенерации. Если последовательно
с резонатором включен подстроечный элемент, то в B.25) необходимо
подставлять вместо R: значение Rib, вычисляемое по соотношению B.14), B.19) или
B.22), с учетом емкости или индуктивности подстроечного элемента.
Для оценки минимального значения коэффициента регенерации у ПГ любого
типа в расчет следует принимать максимально допустимое сопротивление Ru для
оценки максимального значения— минимальное сопротивление Ri,
встречающееся у резонаторов используемого типа. Минимально допустимое значение
коэффициента регенерации следует выбирать не менее 1,5... 2. Если требуется
повысить 'значение. коэффициента регенерации, то уменьшают нагрузочную ем-
'кость или. увеличивают крутизну активного элемента. В то же время следует
учитывать, что слишком высокое значение· коэффициента регенерации способ-
'304

ствует повышению влияния побочных резонансов резонатора и режимной
нестабильности частоты генератора, а также нестабильности, обусловленной
влиянием гармоник генерируемого сигнала. Кроме того, у высокочастотных ПГ при
избыточном коэффициенте регенерации появляется склонность к паразитному
самовозбуждению. При включении вместо резонатора конденсатора с емкостью,
несколько превышающей параллельную емкость резонатора, самовозбуждение
должно отсутствовать.
С помощью дополнительно подключаемых резисторов можно определить
сопротивление Ri резонатора, соответствующее минимально допустимому
значению выходного напряжения генератора, а также сопротивление i^i3 для
генераторов с последовательным резонансом или /?2э для генераторов с
параллельным резонансом. 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 определенного значения выходное
напряжение ПГ может уменьшаться.
Экспериментальное определение коэффициента регенерации и зависимости
выходного напряжения от сопротивления резонатора следует провести на
нескольких образцах ПГ, чтобы убедиться, что они приблизительно одинаковы.
Если указанные характеристики различаются значительно, то схема ПГ
нуждается в доработке.
Необходимо провести экспериментальную оценку мощности в соответствии
с § 24.6. Мощность не должна превышать установленного требованиями
значения и в различных образцах однотипных ПГ должна быть примерно
одинаковой,
После того как результаты измерения мощности оказались
удовлетворительными, можно перейти к измерению режимной нестабильности ГГГ.
Устанавливают номинальное напряжение питания и измеряют частоту и выходное
напряжение ПГ. Затем те же измерения выполняют при минимальном и максималь
ном допустимых напряжениях питания, после чего проводят контрольные
измерения при номинальном напряжении с целью проверки воспроизводимости
результатов. Чтобы температура резонатора не изменялась значительно за время
измерений, можно, например, надеть на резонатор чехол из' пенопласта, а
измерения провести за короткое время. Еще лучше термостатировать резонатор.
Типичным результатом для КГ на частоту 10 МГц по емкостной трехточечной
схеме с биполярным транзистором является изменение частоты на ±10~б при
измерении напряжения питания на ±10 %. Измерение режимной
нестабильности следует провести на нескольких образцах ПГ с резонатором, имеющим
добротность, близкую к минимально допустимой, а затем повторить с
резонатором, имеющим значительно более высокую добротность.
Необходимо также определить реакцию ПГ на изменение нагрузки.
Обычно нагрузка имеет активную и емкостную составляющие. Изменяя в
допустимых пределах сопротивление и емкость нагрузки, измеряют частоту и
выходное напряжение ПГ. Температура резонатора во- время выполнения
измерений должна поддерживаться постоянной. Испытания проводят на нескольких
образцах генераторов с несколькими резонаторами, один из которых имеет
добротность, близкую к минимально допустимой. Для КГ на частоту 10 МГц
по емкостной трехточечной схеме с биполярным транзистором и одним
буферным каскадом типичным результатом является изменение частоты на ±10~?
яри изменении сопротивления нагрузки на ±20 %.
После установки частоты к номинальному значению следует определить
пределы ее коррекции при крайних состояниях подстроечного элемента.
Пределы коррекции должны обеспечивать возможность подстройки частоты на
величину допустимого ее старения за время хранения и эксплуатации.
Как известно, сопротивление и добротность резонатора являются
наименее стабильными его параметрами. Поэтому схема ПГ должна быть
выполнена так, чтобы частота слабо зависела от добротности резонатора при
изменении последней в допустимых пределах. Чтобы получить представление о
характере этой зависимости, следует измерить частоты нескольких образцов ПГ
три включении в них поочередно сначала резонатора с добротностью, близкой
к минимально допустимой, а затем другого резонатора со значительнее более
305

высокой добротностью. Если частота генерации существенно зависит от
добротности резонатора, то эта зависимость будет различной у разных образцов
ПГ. Если же разность частот генерации с двумя использованными
резонаторами будет одинаковой для всех образцов ПГ, то можно косвенно судить о
том, что частота генерации слабо зависит от добротности. Разумеется, при про*
ведении испытания необходимо обеспечить постоянство температуры
резонаторов. Данное испытание обязательно должно проводиться, если ПГ
предназначены для использования в качестве эквивалентов для возбуждения резонаторов
при их настройке и испытаниях. В этом случае необходимо подстроить ПГ к
одному значению частоты с использованием одного резонатора, принятого за
образцовый.
Если ПГ будут использоваться в качестве эквивалентов, то необходимо'
проверить, достаточно ли совершенны контактные устройства, предназначенные
для подключения резонатора. Изменения частоты ПГ при повторных
подключениях одного и того же резонатора не должны превышать малой доли
(примерно 10 %) от наименьшего из допусков на изменение частоты резонатора под
влиянием того или иного предусмотренного для резонатора воздействия.
Кроме того, нужно убедиться, что за время, необходимое для проведения любого
испытания, предусмотренного для резонатора, самопроизвольные вариации
частоты ПГ не превышают малой доли от допустимого изменения частоты по
данному виду испытаний.
Если ПГ должен эксплуатироваться в широком интервале температур, а
допустимое изменение частоты невелико, то необходимо исследовать
зависимость частоты генерации от температуры ПГ. Для этого резонатор и схему
помещают в раздельные термостаты, имеющие общую теплоизолирующую
панель, через которую пропускают соединительные провода. Температуру
резонатора поддерживают постоянной, а температуру схемы изменяют в
необходимых пределах и ртзмеряют частоту генерации. Часто при выполнении таких
измерений можно ограничиться заключением резонатора в пассивную
термоизолирующую оболочку (например, чехол из пенопласта). Если в емкостной
трехточечной схеме нагрузочная емкость образована конденсаторами с
малыми температурными коэффициентами емкости, то типичная величина
изменения частоты у КГ на частоту 10 МГц составит A ... 2) -110 6 в диапазоне
температур —50 ... +60 °С. Кроме частоты, следует также измерять выходное-
напряжение ПГ в зависимости от температуры.
После доработки схемы с учетом данных экспериментальной проверки
проводят испытания готовых ПГ на устойчивость к механическим и
климатическим воздействиям и на старение.
Не все упомянутые в данном параграфе испытания обязательно нужно
проводить в полном объеме для любого ПГ. В каждом конкретном случае
виды и характер испытаний должны соответствовать требованиям,
предъявляемым к ? Г.
Литература к разделу 24
24.1. Евтянов С. И. Теория автогенератора с кварцем//Радиотехника.—
1949. —Т. 4. —№ 1. —С. 27 — 40. — № 5. — С. 71-77.
24.2. Артым А. Д. Влияние параметров схемы на стабильность частоты
кварцевого генератора//Вопросы радиоэлектроники. Сер. 9. — 1964. — Вып. 33.—
q j 9 37
24.3. Dwyer D., Roberts J., Haynes G. Quartz Crystal Oscillator Circuit
without Jnductors//WireIess World. — 1969. October. — P. 474^476.
306

РАЗДЕЛ 25.
ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙЩВА
25.1. Общие сведения
Пьезоэлектронные устройства (ПЭУ) возникли во второй половине 60-х
годов как следствие миниатюризации РЭА и возникновения нового направления в
ее развитии —микроэлектроники. Пьезоэлектронными устройствами чаще
считают законченные функциональные приборы — пьезоэлектрические генераторы
и фильтры, выполненные на основе гибридной и микроэлектронной технологии.
К ним следует отнести и сложные специфические компоненты, такие, как
резонаторы-термостаты. Сведения о возможности создания устройств, которые
теперь называют пьезоэлектронными, появились намного ранее середины 60-х
годов. Например, первый монолитный кварцевый фильтр демонстрировался А. П.
Антиповым в конце 40-х годов, а интегральный кварцевый генератор был
практически осуществлен и исследован П. Г. Поздняковым, С. В. Рахманиновым и
Ю. С. Сноповым в конце 50-х годов [25.1]. Потребовалось немало усилий для
разработки методов расчета ПЭУ, пригодных для МЭА, а также технологий,
без которых их реализация в условиях производства была невозможна.
Первыми, практически реализованными ПЭУ были монолитные кварцевые
фильтры. Методы их расчета, созданные Бивером и Сайксом и
опубликованные в конце 60-х годов, во многом способствовали их распространению [25.2].
В СССР первые монолитные фильтры были разработаны Е. Г. Бронниковой,
И. М. Ларионовым к Г. Н. Новиковым. Ими же были созданы методы их
расчета и проектирования. Позже методы расчета монолитного фильтра (МФ)
усовершенствовались А. Ф. Белецким и В. М. Кантором, В. С. Самойловым и
др. Первые монолитные фильтры и интегральные кварцевые генераторы были
освоены в опытном производстве в 1970 г., гибридные КГ — в 1972 г., а
гибридные КФ — в 1975 г. Первые простые интегральные КГ, выполненные на
основе [25.1], в качестве корпуса имели стеклянный баллон типа Э, что
позволило использовать хорошо освоенную в кварцевом производстве технологию
герметизации. Описания этих КГ имеются в [1, 22, 39].
Простые ПЭУ — кварцевые генераторы и монолитные фильтры в
металлических корпусах от микросхем — начали выпускать в 1972 г., что делало их
совместимыми во всех отношениях с полупроводниковыми приборами и
микросхемами. В эти же годы были разработаны такие ПЭУ, как
резонаторы-термостаты гибридного типа с по^истооными нагревателями и интегральные — с
пленочными нагревателями на ПЭ. Использование этих ПЭУ позволило
существенно улучшить характеристики термостатированных КГ, что подробно рассмотрено
в разд. 26.
'25.2„ Микрогенераторы
Миниатюрные пьезоэлектрические генераторы, реализованные средствами
микроэлектроники и совместимые во всех отношениях с микросхемами и другими
компонентами МЭА, называют микрогенераторами. Классификация ПГ
установлена стандартами МЭК, в соответствии с которыми различают четыре
основных класса: простые ПГ (ППГ, ПКГ), управляемые напряжением ПГ
(УНПГ, УНКГ), термокомпенсированные ПГ (ТКПГ, ТККГ) и
термостатированные ПГ (ТСПГ, ТСКГ).
Некоторые типы генераторов подразделяются на подтипы, например, УНКГ
подразделяются на генераторы с цифровым управлением (ЦУНКГ) и обычные
с управлением аналоговыми сигналами (УНКГ). Имеются УНКГ,
предназначенные для фазовой подстройки частоты. Различают термокомпенсированные
генераторы простые (аналоговые и цифровые) и с управлением по частоте
аналоговыми или цифровыми сигналами. Термостатированные КГ относят к
устройствам пьезоэлектроники, если они основаны на преимущественном использова-
307

нии компонентов и технологии микроэлектроники, например, в них
используются гибридные микросборки, интегральные микросхемы, резонаторы-термостаты и
т. п. Иногда микрогенераторы (МГ) получают наименования, отражающие
специфику их назначения. Например, известны тактовые или часовые генераторы,
создающие сигналы временных интервалов и др. С начала 80-х годов началось
массовое производство простых МГ, предназначенных для различных устройств
цифровой техники, микропроцессоров, электронных часов, изделий бытовой
электроники (телевизоров, магнитофонов, видеомагнитофонов и др.), устройств
низовой радиосвязи. Мировое производство МГ в настоящее время определяется
цифрой порядка сотен миллионов в год и имеет тенденцию к росту.
Управляемые МГ предназначены преимущественно для использования в
радиотехнических устройствах, и потребность в них существенно меньше, чем в простых МГ.
Если в начале 80-х годов простые МГ представляли в основной своей массе
устройства, представляющие гибридно-пленочную микросборку с бескорпусными
компонентами, включая и бескорпусный резонатор, то в середине 80-х годов
появлялось все больше моделей, в которых гибридно-пленочные микросборкн с
большим числом навесных бескорпусных компонентов заменялись сборками с
полупроводниковыми микросхемами и минимальным числом (не более 2... 3)
навесных компонентов. Следует заметить, что гибридные МГ обладают более-
высокой стабильностью частоты, чем МГ с полупроводниковыми микросхемами,,
но последние более компактны и позволяют уменьшить трудоемкость сборки к
соответственно снизить цены МГ [45—48].
Схемы простых МГ обычно содержат, кроме собственно блока активной его
части, буферный каскад, выходные каскады, формирующие ту форму и
величину выходного напряжения, которые определяются назначением. Часто у
тактовых МГ на выходе имеются делители частоты. Выходы МГ в большинстве
случаев предназначены для подключения к ним нескольких типовых цифровых ми-
308
Рис. 25.1. Конструкция простого КГ в
типовом металлическом корпусе для
микросхем «Терек» с 14 выводами
Рис. 25.2. Конструкция простого КГ в
специальном металлическом корпусе с
4 выводами -·?.

кросхем (чаще ТТЛ). Некоторые изготовители выпускают МГ с синусоидальным
сигналом на выходе или предусматривают отдельный выход с таким сигналом.
К тактовым МГ предъявляются требования многофункциональности,
например наличие выходов, фазы напряжений на которых сдвинуты друг
относительно друга на 180°.
Простые МГ выпускают в основном в стандартных металлических 14-вывод-
ных корпусах микросхем типа «Терек» (рис. 25.1,а). Первое время разные
изготовители выпускали МГ в таких корпусах с различной цоколевкой, т. е. с
различными схемами соединения входных и выходных цепей с выводами
корпуса. Вскоре порядок цоколевки простых МГ был стандартизован (рис. 25.1,6).
За рубежом для МГ разработан специальный металлический корпус с четырьмя
выводами, ширина которого несколько меньше, чем у стандартного 14-вывод-
ного корпуса. Разработка специального четырехвыводного корпуса
преследовала также цель упростить сборку МГ, позволив соединить выводы корпуса
непосредственно с контактными площадками платы МГ. Этот корпус включен в
стандарт МЭК [68]. Форма и размеры корпуса приведены на рис. 25.2.
Недостатком МГ, выпускавшихся некоторыми изготовителями, являлось
присоединение выводов резонатора к выводам корпуса, что ухудшало
электромагнитную совместимость МГ. В настоящее время резонатор с выводами
корпуса МГ не соединяют.
Миниатюризация компонентов и использование интегральных микросхем
позволило уменьшить объем и габариты корпуса для МГ. На рис. 25.3
показаны форма и размеры такого корпуса. Выпуск МГ в таких корпусах ожидает-
Рис. 25.3. Конструкция простого КГ в
корпусе уменьшенного размера
Рис. 25.4. Конструкция управляемого КГ
в специальном металлическом корпусе
30SF;

-ся в ближайшее время. Некоторые изготовители выпускают МГ в корпусах от
микросхем большого размера. Герметизация указанных корпусов
осуществляется конденсаторной или лазерной сваркой.
Для МГ нашли применение плоские металлические корпуса круглой
формы, герметизируемые холодной сваркой. На рис. 25.4 показаны формы и
размеры таких корпусов. В этих корпусах выпускают преимущественно
управляемые МГ. Выводы круглых корпусов расположены по окружности и их
расположение не совпадает с сеткой печатных плат, имеющих шаг 1,25 и 2,5 мм.
Управляемые МГ выпускают также в прямоугольных корпусах, показанных на
рис. 25.1. Термокомпенсированные МГ выпускают в корпусах большего
размера, форма и расположение выводов которых показаны на рис. 25.5. Описанные
выше корпуса имеют проволочные выводы и предназначены для установки на
печатные платы.
В связи с разработкой и выпуском микросхем для плоского монтажа,
позволяющего автоматизировать сборку МЭА, разработаны и освоены в опытном
производстве МГ в керамических корпусах, вид которых представлен на рис.
25.6. Эти корпуса имеют планарное расположение выводов. Они могут
выпускаться также с шариковыми выводами под пайку. Крышки этих корпусов
металлические, соединение их с основанием осуществляют роликовой или
лазерной сваркой. Большое разнообразие типов и размеров керамических корпусов
позволяет постоянно вести разработки по уменьшению размеров МГ и
улучшению их характеристик. Керамические корпуса также считают более
надежными, чем металлические.
Для термостатированных КГ, в которых используются
резонаторы-термостаты (РТ), гибридные микросборки и интегральные микросхемы, используются
специальные корпуса относительно больших размеров, герметизация которых
обычно осуществляется пайкой.
Стабильность частоты простых МГ определяется в основном температурной
стабильностью использованных в них резонаторов и величиной интервала
рабочих температур. Типичными для таких МГ являются значения нестабильности
,от всех факторов: ±100·10~6, ±50·10, ±25·10-6.
Рис. 25.5. Конструкция термоком-
пенсированного КГ в типовом
металлическом корпусе для микросхем
Рис. 25.6. Конструкция простого КГ
в керамическом корпусе для
микросхем
310

Таблица 25.1. Параметры кварцевых генераторов, выпускаемых НПО «Фонон»
III I Пределы I I I I I
Диапазон _ т перест- ю „ ^ Напря- Тип, размеры Объем
Тип гене- частот ючность ТНЧ,Х10-6 (инТер- ройки ьыходное напря- потрео- жение
корпуса, кор-
ратора (фиксиро- AHf 7??°?;? « вал температур, °С) частоты жение (форма, ляемыи питания, мм (номер пуса,
ванная час- ?///,?10-? ? ?///>? величина), В ток, мА в рисунка) см3
I тота), МГц I | ? ???-6 1 | | |
ГК26-П 5...27 ±10, ±20; ±10, ±50, ±100 — Импульс; 50 5 «Терек» 1,4
@,032 768) ±40 (—10...60) «0»—0,4, (рис. 25.1)
«1»—2,4
ГК!19-П E0-10—6) ±5; ±10 ±10@...60) — Импульс: 1,5 6 «Терек» 1,4
4 В на нагрузке (рис. 25.1)
511 кО'м
ГК18-П 0,08. ..5,12 ±10 ±40(—60.. .85) ±20 Импульс: 65 5 20X30X40,6 6,3
«0»—0,4,
«1»—2,4
ГК28-П 0,00122...5 ±10 ±40 (—60.. .85) ±20 Импульс: 9 5 20Х30ХЮ;5 6,3
«о»—од
«Ь—4
ГК17-П 10 ±40 ±40(—60...60) — Сипу с 0,15 при 15 5 20X30X40,5 6,3
[#н= 1 кОм
ГК23-УН 5...30 ±10 ±40(—40...70) ±100 Синус 0,15 при 5 6,3±1% 0 16,6 2,5
±60(—60...70) /?н = '1 «Ом (рис. 25.4)
ГК24-УН И...18,5 ±5; (±10) ±40 (—40.. .70), 150; 400 Синус 0,25 2 fi+W0/ 0 155 2,5
±15 (—25.. .70) 600; 540 при #н = 470 Ом, 2,? —5 /0 (рис. 25.4)
0,1 при jRH=l кОм
ТКЗЬТК 2...30 — ±5 ±5 Синус, 0,15 при
(—60"...85) #н = 1кОми 12 12 30X20X10,5 6,3
±2 Сн = 20 пФ
.· ¦ Г (—40...70) Синус, 0,4 при
. ' ' ,^н = о,6 кОм и
Сн = 20 пФ 32* 5**
• Импульс, при ра-
боте с делителем
«1»—0,4
I I I I I «о»—2,4 I I I I
?^ * Общий ток включения делителя частоты. ;¦
'·— ** Напряжение источника питания делителя частоты.

Старение простых МГ с бескорпусными резонаторами, как показала более
-чем десятилетняя практика их эксплуатации и хранения, не превышает ±10·10~6
за несколько лет и в среднем составляет ±5·10~6. При старении обычно
наблюдается понижение частоты.
Параметры некоторых типов МГ приведены в табл. 25.1. Описание микро-
генераторов имеется в [25.3].
В простых и управляемых МГ, как правило, используют бескорпусные
резонаторы и относительно редко микрорезонаторы в корпусах. В зарубежных
конструкциях МГ все соединения чаще выполняют проводящим клеем. В
отечественном производстве МГ предпочитают использовать сварные соединения.
В опытном производстве освоены управляемые МГ с широкой полосой
перестройки частоты (порядка 10% от номинального значения и более). Такие
УНКГ реализуются как генераторы разностной частоты двух простых КГ.
Высокая температурная стабильность разностной частоты в этом случае
достигается подбором ТЧХ резонаторов. Конструктивно УНКГ выполнен в стандартном
металлическом корпусе с размерами 29,5X19,5X6 мм, в котором размещены
все его элементы, включая два бескорпусных резонатора.
В управляемых МГ в ближайшее время предполагается использовать ТЛ-
и ЛГС-резонаторы, что позволит реализовать более широкие пределы
перестройки их частоты.
Использование в прецизионных КГ резонаторов-термостатов и
микросборок позволило существенно уменьшить габариты и объем (до 20... 50 см3),
потребляемую мощность (до 0,25... 0,5 Вт) и время установления частоты до
0,2... 2 мин. Практически в ТСКГ используются РТ нескольких типов:
с позисторами в качестве нагревателей ПЭ, работающими в режиме авто-
термостатирования;
с позисторами в качестве нагревателей и датчиков температуры и внешним
терморегулятором, выполненным в виде гибридной микросборки;
с мощными транзисторами в качестве нагревателей ПЭ и внешним
терморегулятором в виде гибридной микросборки;
с пленочными нагревателями и пленочными датчиками температуры на ПЭ.
Регулирование температуры осуществляется внешним регулятором в виде
гибридной микросборки.
Резонаторы-термостаты с позисторными нагревателями поставляются на
рынок в виде отдельных компонентов. Изготовители выпускают на их основе
прецизионные ТСКГ, характеристики которых приведены в разд. 26. Резонаторы-
термостаты с пленочными и транзисторными нагревателями как отдельные
компоненты на рынок практически не поступают, и изготовители используют их для
выпуска прецизионных ТСКГ, Параметры некоторых из выпускаемых ТСКГ на
резонаторах-термостатах с транзисторными и пленочными нагревателями
приведены ниже.
Параметры термостатированного кварцевоге генератора
«Гладиолус» *
Номинальная частота, МГц 10
Напряжение на выходной нагрузке 75 Ом, мВ, не
менее 250
Форма выходного напряжения
Синусоидальная
Коррекция частоты внешним корректором ?/7/,
Х10-7 8
Нестабильность частоты Af/f, XlO-7:
долговременная за 1 г . 1
температурная в интервале:
—50... +70°С ... . . 0,2
—10...+55°С 0,01
от изменений напряжения питания =Fil 0 % · . 0,0 l·
кратковременная (дисперсия Аллана за 1с) . 0,0001
Напряжение питания, В . . . . . . . . № — \о % '
; Потребляемая мощность, Вт, не более:
в режиме разогрева . . . . ¦ . . . . 2 .
312

в установившемся режиме:
при + 25°С . . . . . : . . . . 0,3
прл ^50°С 0,5
Интервал «рабочих температур, °С —50...+70
Время готовности, мин, не более:
Af/f с точностью 1 -10—7
при +25°С ... .... . . . 2,5
при — 50°С 5
Af/f с точностью ЬЮ-8:
при 4-25°С ¦ . . 5
при —50°С 8
Относительная спектральная плотность мощности
фазовых шумов при отстройке от несущей:
100 Гц, дБ/Гц —135
10 кГц, дБ/Гц . —150
Масса, г, не более 100
• Объем, мм3 62
Размеры корпуса, мм 53x53x22
* Генератор предназначен для массовых малогабаритных станций
спутниковой связи (международной -системы «И»н,мар>сат». Содержит прецизионный ре- .·
зонатор-термостат с пьезоэлементом среза ТД3 на частоту 10 МГц и
транзисторным нагревателем. Отличается малым временем готовности, малым
энергопотреблением, высокой стабильностью частоты и .малым уровнем фазовых
шумов. Соответствует классу С ТВ СЭВ 0283—87.
Параметры термостатированного кварцевого генератора
«Соната»*
Номинальная частота, МГц 10 .
Выходное напряжение на нагрузке 75 Ом, мВ, не 1,\
менее 200
Форма выходного сигнала
Синусоидальная
Коррекция частоты Af/f, XlO-7:
внутренним корректором ©строенным
потенциометром 8
внешним корректором, управляющим
напряжением 8
Нестабильность частоты Af/f, ? Ю-7:
долговременная, за 1 г . . . . . . . 1,5
температурная в интервале:
—30... + 70°С . . . 2
—10...+55°С ¦ . . . 1
+ 5...+45°С . . ...... 0,5
от изменений напряжения питания -н10% . . 0,05
от изменений сопротивления напр узки 75 .кОм, %
кратковременная (дисперсия Аллана за 1с) . 0,005
Напряжение питания, В 12 if о %
Диапазон рабочих температур, °С —30...+70
S. Потребляемая мощность, Вт, не более:
в режиме разогрева при включении .... 0,9
в установившемся режиме:
при +25°С 0,4
при —30°С 0,6
Время готовности, мин, не более:
с «точностью 0,3~7:
при +25°С 0,75
прй —30°С 1,5
с ттжостью ОД-7:
при +25°С 1
при —30°С . . . . . . ... . 2
31$*

Относительная спектральная плотность мощности
фазовых шумов ори отстройке от несущей:
100 Гц, дБ/Гц —.130
110 (кГц, дБ/^Гц —140
Масса, г, ле 'более 50
Объем, мм3 . 45
Размеры корпуса, мм ¦ . . 53x34X25
* Генератор предназначен для синхронизация частоты различных
радиотехнических устройств, миниатюрных радиопередающих устройств разных
систем, аварийных ради о устройств «КОСПАС— САРСАТ», переносных -частотоизме-
рителыных приборов.
Разработан и освоен в опытном производстве ТСКГ на РТ с
комбинированным нагревом ПЭ: косвенным (транзисторным) и прямым (пленочным), что
уменьшило время выхода на режим до 10... 15 с. Использование различных
видов РТ является основным направлением улучшения характеристик ТСКГ. В
ближайшее время следует ожидать появления на рынке так называемых
генераторов-термостатов с размещением в общем корпусе всех элементов КГ, т, е.
более сложных ПЭУ.
На основе гибридно-пленочной технологии выпускается малогабаритный ТККГ '
с условным обозначением ГК21-ТК, данные которого приведены в табл. 25.1.
Этот КГ питается от источника постоянного напряжения 12 В. Генератор
имеет встроенный делитель частоты, питаемый от отдельного источника с
напряжением 5 В. При работе с делителем частоты выходное напряжение имеет
форму импульсов.
25*3* Гибридные пьезоэлектрические фильтры
Гибридные пьезоэлектрические фильтры (ГПФ) используют в современной
РЭА на частотах ниже 3 МГц в виду их малых размеров, простоты устройства
и возможности реализации средствами микроэлектроники. В обычных мостовых
пьезофильтрах необходимо использовать дифференциальные трансформаторы или
дроссели, миниатюризация которых на частотах ниже 3 МГц затруднительна.
Однако известны возможности реализации мостовых пьезоэлектрических
фильтров без индуктивных компонентов, при этом используются инверсные
усилители с разделенной нагрузкой (парафазные усилители).
Впервые кварцевые фильтры (КФ) на ламповых парафазных усилителях
были предложены А. П. Антиповым в 1940-х годах. Позже варианты таких КФ
на дискретных компонентах и транзисторах были реализованы Н. В.
Морозовым [25.4, 25.5]. Такие фильтры называют также активными
пьезоэлектрическими фильтрами. Их все чаще реализуют в виде гибридных микросборок [25.6],
что и обусловило их название — гибридные ПФ. Гибридные ПФ в
микроэлектронном варианте были разработаны В. Н. Банковым, П. Г. Поздняковым и
Л. И. Третьяк в начале 1970-х годов [39, 40]. Эти ГПФ состоят из гибридно-
пленочной микросборки и бескорпусных резонаторов, что позволяет размещать
их в стандартных прямоугольных корпусах от микросхем.
Принципиальная схема ГПФ изображена на рис. 25.7. Такие ГПФ могут быть
двухкристальными и однокристальными. В последнем случае один из
резонаторов заменяют конденсатором, емкость которого должна быть примерно равна
параллельной емкости резонатора. Двухкристальный вариант позволяет
реализовать более широкую полосу пропускания. В парафазном усилителе нагрузка
разделена на две части, одна из которых включена в цепь коллектора, а
другая — в цепь эмиттера. При равенстве токов сигнала и сопротивлений нагрузок
напряжения на них равны по величине, но противоположны по фазе. Парафаз-
ный усилитель имеет большое входное и малое выходное сопротивление. Для
уменьшения влияния изменений нагрузки на АЧХ фильтра на выходе часто
включают эмиттерный повторитель. Несимметрию усилителя из-за различия
токов в цепях коллектора и эмиттера устраняют соответствующим изменением
314

Рис. 25.7. Схема гибридного
кварцевого фильтра на парафазном
усилителе
Рис. 25.8. Схема гибридного
кварцевого фильтра на частоту 1,3 МГц
сопротивления одного из резисторов. Расчеты парафазных усилителей известны
и описаны в учебной литературе.
Гибридные ПФ часто выполняют однозвенными, что позволяет получать в ¦
полосе задерживания затухание порядка 30... 40 дБ. Такой однозвенный фильтр
размещается в типовом корпусе «Терек». При необходимости получить большее
затухание обычно используют каскадное включение двух или более ГПФ. При"
использовании корпуса больших размеров возможна реализация двух- и трех-
звенных фильтров. Реализация ГПФ возможна и при использовании
бескорпусных резонаторов из «сильных» пьезоэлектриков (кристаллов ТЛ и Л ГС).
На частотах 1 ... 3 МГц в ГПФ используют бескорпусные резонаторы AT в
виде прямоугольных пластин, размеры которых находятся в точных
соотношениях между собой [25.7]. Можно успешно использовать также полосковые
резонаторы AT на более высокие частоты [21.8]. Для фильтров на частоты
ниже 250 кГц используются корпуса больших размеров, в которых возможно
размещение двух, трех и более однозвенных фильтров на разные частоты или
многозвенные фильтры, если требуется большая избирательность. На частотах
ниже 1 МГц используют бескорпусные резонаторы АП, ДТ, ВП и XT.
На рис. 25.8 приведена схема конкретного ГПФ на частоту 1,3 МГц.
Фильтр заключен в стандартный корпус с размерами 19,5X14,5X6 мм. В
фильтре использован 'бескорпусный резонатор AT с ПЭ прямоугольной формы и
сплошными никелевыми электродами. Крепление ПЭ осуществляется четырьмя
проволочными держателями [25.7]. Полоса пропускания этого ГКФ по уровню -
3 дБ — Ь кГц, затухание в полосе задерживания более 30 дБ, входное
сопротивление фильтра 10 кОм, выходное 3 кОм, коэффициент передачи 0,5.
Получили распространение и более сложные гибридные устройства,
известные как ЧИМ (частотно-избирательные микроблоки), имеющие более сложные
входные и выходные нагрузки, чем простые ГПФ [25.9].
25.4. Монолитные фильтры
Давно было известно, что при разделении электродов кварцевого
резонатора толщинных колебаний (для создания четырехэлектродного варианта)
возможна реализация характеристики полосового фильтра. Однако оказалось, что
реализация даже простого двухрезонаторного фильтра связана с большими
затруднениями, поскольку не было ясных представлений о работе такого
фильтра, влиянии геометрических размеров ПЭ, электродов, межэлектродного зазора
и других факторов на характеристики передачи.
Прогресс в создании монолитных фильтров стал возможным после
создания теории захвата колебаний (см. разд. 11). Это характерное для толщинно-
сдвиговых колебаний явление позволяет локализовать колебания рабочей
частоты в подэлектродной области пластины. За пределами электродов амплитуда
колебаний резко уменьшается по экспоненциальному закону. Располагая на-·
пластине две пары электродов, достаточно удаленных друг от друга, можно
реализовать два резонатора, колебания которых не связаны ни механически, ни
электрически. Специалисты фирмы «Кливайт», используя эту возможность, соз-
315*

дали в 1960-х годах интегральное ПЗУ, известное как «однослойный» фильтр.
Несколько изолированных резонаторов, расположенных на одной пластине (пье-
зоподложке) и не связанных между собой механически, посредством
соответствующей коммутации соединялись, образуя лестничную схему фильтра.
Широкого применения такие фильтры не нашли [25.10].
При сближении пары изолированных резонаторов, частоты которых
одинаковы или близки, между ними возникает механическая связь, величина которой
зависит от расстояния между электродами резонаторов и некоторых других
факторов. Подавая напряжение к электродам одного резонатора, на второй
паре электродов можно наблюдать АЧХ, характерную для связанных
электрических контуров. При согласованных электрических нагрузках реализуется АЧХ,
характерная для дифференциально-мостового кварцевого фильтра. Такие
фильтры были названы монолитными или интегральными [25.11].
Характеристика передачи монолитного ПФ достаточно точно описывается
эквивалентной электрической схемой в виде двух связанных электрических
контуров (рис. 25.9). Связь между контурами может быть индуктивной или
емкостной. Схемы с индуктивной и емкостной связью адекватны и одинаково
описывают характеристики передачи монолитного фильтра (МФ). Монолитные
фильтры впервые были описаны в 1967 г. Р. Сайксом (США) и Оное (Япония).
Ими же были разработаны основы расчета МФ, позволяющие определять
геометрические параметры пьезоподложки и электродов отдельных резонаторов,
составляющих фильтр, а также расстояния между ними, определяющие величину
связи. Число механически связанных резонаторов может быть больше двух и
достигать 8... 12. Схематично устройство МФ представлено на рис. 25.10 [19.
32, 33, 38, 48].
Из сказанного выше ясно, что МФ —это интегральные твердотельные
устройства, представляющие разновидность волноводных электромеханических
фильтров с пьезоэлектрическими преобразователями на входе и выходе,
являющимися одновременно и резонаторами. Увеличение числа связанных резонаторов
позволяет существенно повышать избирательность МФ. Однако их реализация
в условиях производства существенно затруднена, поскольку с увеличением
числа резонаторов соответственно возрастает и число электрических параметров
с достаточно жесткими допусками, которые нужно реализовать для достижения
заданных характеристик МФ. Так, для формирования характеристики полосы
пропускания МФ необходимо реализовать ? частот резонаторов и я—1
значений коэффициентов межрезонаторных связей. При большом числе резонаторов
реализация этих параметров, достигаемая последовательной настройкой
каждого резонатора и межрезонатор ной связки, представляет сложную, кропотливую
операцию. Кроме того, в многорезонаторном МФ часто возникают побочные
полосы пропускания, устранение которых затруднительно, а иногда и
невозможно.
Задача облегчения производства МФ высокой избирательности решается
посредством последовательного электрического соединения нескольких простых,
обычно двухрезонаторных, звеньев. Такие фильтры называют полилитными. В
некоторых случаях двухрезонаторные секции МФ заключают в отдельные
корпуса и потребитель формирует фильтр, соединяя две или более таких секций.
Рис. 25.9. Эквивалентная схема Рис. 26.10. Схеь&тичное изображе-
двухрезонаторного монолитного пье- ние устройства монолитного пьезо-
зоэлектрического фильтра электрического фильтра
316 ' " ¦

Рис. 25.11. Специальные корпуса для монолитных кварцевых фильтров
Потребителю необходимо иметь в виду, что требуемая характеристика
передачи достигается только при согласованных межзвенных, входной и выходной на*
грузках МФ. Изготовление и настройка МФ обычно осуществляется при
нагрузках, равных или близких значениям, которые обычно указываются в его
паспорте. Кроме полилитных фильтров известны так называемые тандемные МФэ
особенностью которых является расположение всех резонаторов на общей пье-
заподложке, но с разделением их на две или три группы (звена), изолированные
друг от друга в механическом отношении. Связи между группами
электрические. Каждое звено представляет монолитный двух- или трехрезонаторный
фильтр. Изготовление и настройка тандемных фильтров более проста, и,
кроме того, в них ослабляются нежелательные механические связи между входом
и выходом, характерные для МФ с большим числом связанных резонаторов.
Конструктивно современные МФ выпускают в стандартных металлические
корпусах от микросхем прямоугольной, квадратной и круглой форм. Выпускают
также МФ и в специальных металлических корпусах. Размеры корпуса МФ
определяются частотой и числом звеньев (порядком фильтра). На рис. 25.11
приведены габаритные чертежи специальных корпусов МФ, используемых
отечественными предприятиями. Чаще МФ выпускают в стандартных
металлических корпусах от микросхем, например «Терек» или «Посол».
Некоторые МФ имеют внешние и внутренние согласующие нагрузки,
размещенные в корпусе. Нередко эти нагрузки, представляющие резисторы и
конденсаторы, выполняются пленочными и реализуются в общем технологическом
процессе методами микроэлектроники. Тогда МФ является интегральными ПЭ^У
в полном смысле этого слова. Чаще предпочитают использовать более простую
гибридную технологию — все коммутационные соединения и р^исторы
выполняют пленочными, а конденсаторы, пьезоэлектрические звенья — навесными и
располагают все элементы фильтра на общей изоляционной подложке. При этом
может быть использована тонко- или толстопленочная технология.
317

Следует заметить, что иногда целесообразно выпускать МФ без внешних
нагрузок, расположенных в корпусе. В этом случае потребители устанавливают
их как навесные компоненты при монтаже МФ в аппаратуру.
Производство кварцевых МФ освоено многими предприятиями, и
выпускается достаточно широкая номенклатура фильтров на частоты от 4... 5 до 35 МГц
с относительной шириной полосы пропускания 0,01 ... 0,4%.
Монолитные фильтры выпускают преимущественно из кварца, что
позволяет реализовать относительно узкие полосы пропускания @,01 ... 0,4%). За
последние годы разработаны и освоены в производстве МФ из кристаллов тан-
талата лития, что позволяет реализовывать широкие полосы пропускания (до
3... 5%) [25.12]. Исследованы возможности использования другого «сильного»
пьезоэлектрика — кристаллов лангасита, также позволяющего осуществлять
широкополосные фильтры. Выпускаются пьезокерамические МФ на частоту
10,7 МГц.
Литература к разделу 25
¦25.1. А. с. 154889. Кварцевый генератор/П. Г. Поздняков, Ю. С. Снопов,
С. В. Рахманинов. — Опубл. 1963. Бюл. № 10.
25.2. Beawer W. D. Analyses of elasticaly coupled piezoelectric resonators//7.
Acousi Soc. American.—1968.— Vol. 43. — P. 972—981.
25.3. Кварцевые генераторы, особенности их производства и перспективы
развития/./В. М. Аксенов, А. М. Васильев, М. В. Великанская и др./Электронная
техника. Сер. 5.—1987. — Вып. 3F8). —С. 48—52.
25.4. Морозов Н. В. Бестрансформаторный кварцевый фильтр/Информацион-
но-справочный листок. № 7.35.71. —М.: ОНТИ-7, 1971. —2 с.
25.5. Морозов Н. В. Кварцевый фильтр на звуковую частоту/Информацион-
но-справочный листок, № 7.78.72.—М.: ОНТИ-7, 1972. —2 с.
25.6. Васин Н. Г., Нефедов А. П., Ровицкий В. А. Проектирование
фильтровых активных кварцевых схем//Электронная техника. — Сер. 5. — 1984. —
Вып. 3E6). С. 67—70.
25.7. Андросова В. Г., Поздняков П. Т., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пьезоэлементами среза AT прямоугольной формы//Электронная техника.
Сер. 9.— 1970.— Вып. 2.— С. 33—39.
25.8. Белякович Э. И. Конструирование низкоиндукционных фильтровых
кварцевых резонаторов на частоты от 1 до 10 МГц//Электронная техника.
Сер. 5.--1977. Вып. 2B1). —С. 27—36.
25.9. Частотно-избирательный микроблок/ Д. В. Карпеев, О. В. Машинин,
М. М. Орлов и др.//Электронная техника. Сер. 5. — 1987.—Вып. 3F8). —С,
58—61.
25.10. Бронникова. Е. Г. Однослойные кварцевые фильтры//Электронная
техника. Сер. IX.— 1967. Вып. 4. — С. 81.
25.11. Бронникова Е. Г., Ларионов И. М. Монолитные фильтры//Электронная
техника. Сер. 5.— 1987.— Вып. 3F8). —С. 58—61.
25.12. Бронникова Е. Г., Ларионов И. М., Сечина Т. Н. Высокочастотные
танталатолитиевые резонаторы и монолитные фильтры//Электронная техника.
Сер. 5.—1982.—Вып. 4D9). —С. 59—61.
РАЗДЕЛ 26. .. ;';;
РЕЗОНАТОРЫ-ТЕРМОСТАТЫ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРОННЫЕ
УСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
Развитие научно-технических идей построения РТ ведет отсчет с начала
1950-х годов и заметно ускорилось в 60-е и 70-е годы. В литературе, особенно
патентной, появились различные по построению тер мост а тирующей системы кон-
структорско-технологические решения РТ, из которых выделяются:
318

с встроенным в баллон КР биметаллическим терморегулятором -[26.10—
26.13];
с проволочным нагревателем, намотанным на каркас держателя [26.14—
26.16];
с пленочным нагревателем непосредственно на ПЭ [26.17—26.22];
конструкция «баллон в баллоне», где нагреватель размещен на
поверхности заполненного газом внутреннего баллона с ПЭ, а зазор между внутренним
и внешним баллонами вакуумирован '[26.23];
с составным нагревателем — форсажным пленочным нагревателем на ПЭ
и отдельным транзисторным нагревателем стационарного режима на
основании газонаполненной металлической камеры с ПЭ внутри [26.24];
вакуумированная конструкция с саморегулирующимся позисторным
нагревателем и изотермической теплораспределительной камерой, внутри которой
размещен ПЭ [26.1, 26.25];
устройство [26.26] из вакуумированного РТ с генератором.
Большинство предложенных в разное время РТ, несмотря на внешнюю
простоту реализации (в значительной мере кажущуюся), так и не вышло из
стадии лабораторного макетирования. Причиной этого явились, прежде всего, из
низкие технические характеристики — главным образом низкая температурная
и долговременная стабильность частоты и неожиданно большое
энергопотребление A... 2 Вт). Кроме того, до перехода с ламповой РЭА на
полупроводниковую актуальность РТ в целом была не особенно высока.
Первые промышленные РТ с встроенным биметаллическим
терморегулятором [26.13] разработаны и освоены в СССР в 1965—1967 гг. усилиями П. С.
Куканова, В. А. Романова, Н. И. Сизова и Т. Н. Богатовой на основе
изобретений Б. Г. Преображенского [26.11, 26.12]. Эти РТ в конце 60-х годов
сыграли прогрессивную роль в построении высокоэффективной связной РЭА. Они
выпускались до 1980 г. и были сняты с производства из-за низкой стойкости
к механическим воздействиям и надежности, помех, вносимых биметаллическим
терморегулятором в работу аппаратуры, а также сложности изготовления. Эти
РТ имели большие размеры (объем 55 см3), энергопотребление A Вт) и время
установления частоты A0... 15 мин с точностью 10~6), невысокую
температурную стабильность частоты ± A ... 2) · Ю-6. Не имелось каких-либо
существенных резервов для улучшения указанных параметров. Однако для своего
времени они позволили сделать важный шаг вперед в технике кварцевой
стабилизации и были эффективно использованы.
Для устранения указанных выше недостатков РТ и создания новых
принципов их построения в 70-х годах в СССР были проведены соответствующие
исследования' по теплофизическим аспектам построения РТ. Результатом этих
исследований явилась разработка на основе [26.1, 26.25, 26.27—-26.40] и
освоение промышленного выпуска широкой номенклатуры унифицированных РТ с
позисторным нагревателем [26.41, 26.42]. Эти РТ реализованы на частоты в
диапазоне 2 ... 10 МГц и имеют ТНЧ порядка Ю-6 ... 10~8 при
энергопотреблении 0,2 ... 0,5 Вт, времени установления частоты 2...110 мин и стойкости к
жестким механическим воздействиям.
Выпуск РТ с позисторным нагревателем в виде опытных партий был начат
в 1975—1976 годах, а с 1980 г. начато их крупносерийное производство,
номенклатура и объем которого постоянно расширяются. Большую роль в освоении
и развитии производства сыграли усилия И. И. Кузьмина, ?. ?. Лепешкина,
И. С. Трошина, А. Д. Алексеевой и И. Л. Тимошенко. Эти РТ сменили РТ с
биметаллическим терморегулятором. Можно говорить о накоплении
достаточного опыта производства и применения РТ с позисторным нагревателем в
различной РЭА ответственного назначения.
Принципиальными достоинствами РТ с пленочным нагревателем и
датчиком температуры на ПЭ являются малые габариты и время установления
частоты, благодаря чему этот вид РТ с начала 80-х годов в результате
отечественных исследований [26.22, 26.43, 26.44] также получил практическое
применение. Промышленный РТ с пленочным нагревателем на частоту 10 МГц [26.45,
26.46] характеризуется временем установления частоты не более 1,5 мин и
реализован в миниатюрном баллоне типа Э (объем 3,5 см3). Эффективной
технологической модернизацией этих РТ является переход на тонкопленочные термо-
319

резистивные датчики температуры вместо дискретных бусинковых терморезис-
торов [26.47, 26.48]. Высокостабильные тонкопленочные полупроводниковые
терморезисторы-датчики температуры, наносимые на ПЭ магнетронным ВЧ-рас-
пылением [26.47], позволили создать интегральные РТ [26.49, 26.50].
Построение функционально законченного блока высокостабильного КГ на
РТ впервые рассмотрено в [26.51], а затем с рядом уточнений в [21]. Впослед-
ствии схемотехнические и конструкторско-технологические аспекты построения
презиционных КГ на РТ были описаны в [26.52—26.55]. Описанный в [26.52]
РТ фактически представляет собой существенную модернизацию прецизионные
РТ, описанных в [26.41]. В конструкцию РТ был введен основной элемент
электронного корректора частоты КГ — варикап, установленный
непосредственно на позисторном нагревателе. Термостатирование варикапа заметно повысило
температурную стабильность частоты КГ. Кроме того, для точного
регулирования температуры в РТ используется отдельный позистор — термодатчнк.
Анализ возможностей различных классов терморегуляторов для РТ дан в [26.53];
там же предложен пропорциональный терморегулятор, малочувствительный к
резким скачкам напряжения питания.
Исследования и разработки РТ и КГ на их базе интенсивно ведутся за
рубежом [26.56—26.58]. О промышленном выпуске РТ на позисторных элемента*
во второй половине 1970-х — начале 1980-х годов сообщил ряд фирм [26.59—
26.61]. Саморегулирующиеся РТ этих фирм имеют температурную
нестабильность частоты до ± B,5... 3) · 10_б, но при этом миниатюрны и хорошо
компонуются в микроэлектронной аппаратуре, так как выполнены в плоских
металлических [26.59, 26.61] или транзисторных [26.60] корпусах. В [26.59] описав
РТ, работающий с внешним терморегулятором и имеющий ТНЧ до ±5-10~7,
но с большим потреблением A,5 Вт при +25 °С) при объеме 12,5 см3.
Достоинство зарубежных РТ — широкий диапазон частот E,6... 62 МГц [26.59] и 10...
... 120 МГц [26.60]).
Исследования и разработки РТ продолжают интенсивно развиваться [26.42,
26.54, 26.55, 26.62—26.64].
Возможно использование РТ для построения сверхузкополосных кварцевьо
фильтров (КФ) [26.64], предназначенных для селекции выходного сигнала
опорного генератора при особо жестких требованиях к спектральным
характеристикам. Описанный промышленный однокристальный фильтр на частоту 10 МГц
построен на РТ базовой конструкции [26.41] и имеет полосу пропускания
менее ±5·10~6 от номинальной частоты.
Большие возможности улучшения характеристик РТ и КГ на них в части
времени установления частоты, ее температурной и кратковременной
стабильности, уровня шума открывает использование в РТ двухповоротного среза СВ.
Как показано в [26.54], по электрическим параметрам выходного сигнала
современные опорные генераторы на РТ не уступают КГ с наружным термостати-
рованием резонатора. С учетом тенденций развития частотных систем РЭА, уже
достигнутого уровня технических характеристик РТ и возможностей их
дальнейшего совершенствования, а также функционально законченные блоки
высокостабильных генераторов и сверхузкополосных фильтров на их базе относятся
к наиболее перспективным видам ПЭУ.
Сокращения и условные обозначения параметров
ВВФ — внешние воздействующие факторы
ИЭТ — изделие электронной техники
НКУ— нормальные климатические условия
НТД — нормативно-техническая документация
ТР — терморезистор
ТСКГ — термостатированный кварцевый генератор
ТСС — термостатирующая система
ТСУ — термостабилизирующее (термостатирующее) устройство
ТХС — температурная характеристика сопротивления
ЭВП — электровакуумный прибор
С—теплоемкость, электрическая емкость
320

с — удельная теплоемкость
Кп — критерий Кнудсена
kt—коэффициент термостабилизации
? — мощность
? — давление газа
Q — тепловой поток
q — плотность теплового потока
Я» — удельная мощность внутренних источников теплоты
Rt — термическое (тепловое) сопротивление
? — температура
Э — энергия
? — температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
? — (перед соответствующей величиной) изхменение или перепад . величины
? — (перед соответствующей величиной) относительное изменение величины
? — полусферическая интегральная степень черноты
? — коэффициент полезного действия (КПД) терморегулятора
? — коэффициент теплопроводности
? — молекулярная масса
?*— термическая (тепловая) проводимость
? — время
26.1. Определение и назначение
Резонатор-термостат представляет собой резонатор с внутренним термоста-
тированием. Термин «резонатор-термостат» возник в технической литературе
[26.1] для обозначения нового вида гибридных и интегральных устройств пье-
зоэлектроники, сочетающих в единой конструкции собственно
пьезоэлектрический резонатор и термостат. При этом в держателе РТ вместе с ПЭ
смонтированы нагреватель, датчик температуры и тешгораспределительные элементы
термостата. Вакуум резонатора служит наиболее эффективной теплоизоляцией тер-
мостатируемого узла, а корпус резонатора одновременно является и корпусом
термостата. В презиционных РТ управление температурой обычно
осуществляется с помощью терморегулятора, который чаще располагается вне корпуса РТ.
Основное применение РТ нашли в частотных системах подвижной РЭА, к
которой предъявляется трудно реализуемый комплекс требований, таких, как
высокая стабильность частоты, с одной стороны, и малые габариты, масса,
энергопотребление и время готовности с момента включения при стойкости к
жестким внешним воздействиям, высокой надежности, с другой стороны.
Применяют РТ, когда температурная нестабильность частоты КР
неприемлемо велика. При требованиях к эксплуатационной стабильности частоты
порядка Ю-7... 10~8 (а кратковременной порядка 10~10... Ю-11) РТ имеют
существенно меньшие энергопотребление, время установления частоты, габариты и
массу, более высокие стойкость к механическим и климатическим воздействиям
и надежность, чем КР с традиционным наружным термостатом. При
требованиях к стабильности частоты порядка 10~6 РТ успешно конкурируют с
термокомпенсацией КР благодаря меньшей трудоемкости изготовления, простоте
реализации КГ и его низкой стоимости, а также из-за отсутствия жестких
требований к ТЧХ пьезоэлемента в широком интервале температур.
В основном РТ применяют для построения высокостабильных КГ. Однако
уже имеются примеры эффективного использования РТ и для реализации сверх-
узкополосных кварцевых фильтров с шириной полосы пропускания менее
10· 10~6, предназначенных для селекции частоты КГ при особо жестких
требованиях к спектральной чистоте опорного сигнала.
26.2. Терминология
Терминология для РТ только складывается и еще не стандартизована ни
в СССР, ни за рубежом. В уже изданных рекомендациях МЭК РТ не
рассматриваются. На практике для РТ в основном используется соответствующая тер-
¦11— 45
321

минология, принятая в стандартах и научно-технической" литературе для
традиционных КР. термостатов, термостатированных КГ {26.2—26.8, 21, 55, 56, 68
69, 80, 81].
Некоторые понятия, общепринятые для КР, при их использовании
применительно к РТ нуждаются в уточнении. Ряд понятий, используемых для
описания ТСУ и ТСКГ, применительно к РТ пока непривычен. Поэтому ниже
приведена основная терминология для РТ. Специфичная терминология
поясняется в технических условиях на конкретные РТ.
Резонатор-термостат — резонатор с внутренним термостатированием,
гибридное или интегральное устройство, функционально и технологически
совмещающее в единой конструкции собственно пьезоэлектрический резонатор и
термостат. В прецизионных РТ стабилизация температуры может
осуществляться терморегулятором, расположенным вне корпуса РТ.
Термостатирующая система РТ — совокупность элементов и узлов,
обеспечивающая требуемый тепловой режим ПЭ. Состоит из нагревателя, датчика
температуры, теплораспределительных и теплоизоляционных элементов, а также
терморегулятора.
Термо лашруемый узел РТ — совокупность элементов РТ, в которой при
изменении внеп!них условий температура поддерживается с заданной
точностью. Состоит из ПЭ, теплораспределительных элементов, нагревателя и
датчика температуры. Иногда включает в себя также другие функциональные
элементы, термостатируемые в РТ, например варикап корректора частоты.
Держатель РТ — совокупность конструктивных элементов, обеспечивающих
механическое крепление термоетатируемого узла в корпусе РТ.
Термическое (тепловое) сопротивление — параметр, характеризующий
теплопередачу через данный элемент конструкции и соответствующий
электрическому сопротивлению в электротепловой аналогии; температура — электрический
потенциал, тепловой поток — электрический ток [26.7 — 26.9]. Количественно
термическое сопротивление представляет перепад температур, создаваемый в
данном элементе конструкции прохождением через него теплового потока в
1 Вт, размерность °С/Вт.
Термическая (тепловая) проводимость — величина, обратная термическому
сопротивлению. В электротепловой аналогии соответствует электрической
проводимости. Количественно — тепловой поток, прохождение которого через
данный элемент создает перепад температур в 1 °С; размерность Вт/°С.
Позистор — полупроводниковый терморезистор, имеющий рабочую область
с большим положительным температурным коэффициентом сопротивления
(ТКС).
Терморегулятор РТ — устройство управления подогревом, обеспечивающее
стабилизацию температуры с требуемой точностью. Обычно представляет
электронную схему, расположенную вне корпуса РТ (за исключением нагревателя
и датчика температуры).
Двухпозиционный терморегулятор— терморегулятор, в котором
управляющее воздействие имеет два дискретных значения, определяемых знаком
отклонения регулируемой температуры датчика от заданного значения, и
соответственно работающий в режиме периодического включения — выключения
напряжения питания нагревателя. Иногда двухпозиционный терморегулятор
называют дискретным или импульсным.
Пропорциональный терморегулятор — терморегулятор с непрерывным
(плавным) законом регулирования, в котором управляющее воздействие —
изменение мощности, рассеиваемой на нагревателе, — пропорционально отклонению
регулируемой температуры датчика от заданного значения. Коэффициентом
пропорциональности является коэффициент передачи регулятора.
Коэффициент полезного действия (КПД) терморегулятора РТ —отношение
мощности, рассеиваемой на нагревателе РТ и компенсирующей его тепловые
потери, к полной мощности, потребляемой РТ и терморегулятором от
источника питания.
Рабочий режим РТ — полное функционирование РТ как резонатора с
включенной системой внутреннего термостатирования. Рабочий режим РТ
характеризуется совокупностью внешних воздействий, напряжением питания,
интервалом времени после включения.
322

Установившийся режим РТ —состояние теплового равновесия РТ с
окружающей средой, характеризующееся постоянством эксплуатационных
параметров с требуемой точностью.
Установившееся значение рабочей частоты (потребляемой мощности) РТ —
значение рабочей частоты (потребляемой мощности) в установившемся режиме.
Определяется после включения через некоторое время, указываемое в
документации на РТ соответствующего типа.
Тепловые потери РТ — тепловой поток, рассеиваемый в окружающую среду
в установившемся режиме при данных внешних условиях (в основном
температуре среды и в меньшей мере условиях теплоотдачи от корпуса РТ в
среду). Тепловые потери РТ равны мощности, выделяемой его нагревателем в
данном установившемся режиме.
Мощность, потребляемая в установившемся режиме. Следует уточнить,
вдет ли речь только о потреблении самого РТ (т. е. его нагревателя) или о
полной мощности, потребляемой РТ и внешним терморегулятором от
источника питания. В случае саморегулирующихся РТ это ~ величина, равная
тепловым потерям РТ. Для РТ, работающих с внешним терморегулятором, полная
мощность, потребляемая от источника питания, больше и равна сумме
мощностей собственно РТ и внешнего терморегулятора.
Выход РТ на режим (термостатирования) — переходный процесс в РТ,
происходящий после его включения и сопровождающийся значительными
изменениями рабочей частоты вследствие разогрева термостатируемого узла.
Переходные характеристики РТ — изменения параметров РТ (частоты и по-
требляемой мощности) в период выхода на режим после включения, а также
при резких изменениях напряжения питания и температуры среды.
Время установления частоты РТ — интервал времени с момента включения
РТ, начиная с которого рабочая частота отличается от ее установившегося
значения при данных внешних условиях (температуре среды и напряжении
питания) не более чем на заданную величину. Иногда вместо термина «время
установления частоты» используют другие термины-синонимы: время выхода на
режим или время готовности.
Мощность, потребляемая РТ во время включения, — максимальная мощность,
которую потребляет РТ от источника питания в период выхода на режим. Этот
термин не совсем точен: в случае позисторного нагревателя у РТ максимальная
потребляемая мощность имеет место не «во время включения», а через
некоторое время после включения. Иногда используют понятие «максимальная
(пиковая) мощность, потребляемая при выходе на режим».
Температуоа настройки РТ—температура ПЭ, при которой в процессе
изготовления РТ осуществляют настройку его рабочей частоты с заданной
точностью относительно номинального значения. Температура настройки равна
или близка к температуре статирования ПЭ и, как правило, находится вблизи
экстремума ТЧХ пьезоэлемента.
Температуру настройки РТ не следует путать с температурой настройки
терморегулятора готового РТ (обычно нормальные условия).
Точность настройки РТ — отклонение рабочей частоты РТ от номинального
значения. В отличие от термостатируемых резонаторов традиционного
исполнения (с внешним термостатированием) точность настройки РТ определяется не
при температуре настройки, а при температуре среды B5^5)°С или в НКУ,
конечно, с включенной системой термостатирования.
Во избежание путаницы в ТУ на РТ часто используют полное понятие
«относительное отклонение рабочей частоты от номинального значения».^
Интервал рабочих температур РТ — интервал температур окружающей
среды, в котором допускается эксплуатация РТ в рабочем режиме, а его
параметры должны оставаться в пределах установленных норм. Этот интервал
для РТ отличается от принятого для традиционных термостатируемых КР
узкого интервала температур вблизи температуры статирования, например +65...
... +75 °С [75, 771, и оказывается намного шире.
Базовая температура среды— температура среды, при которой
определяются так называемая базовая температура статирования и начальное значение
рабочей частоты, от которых отсчитываются изменения температуры
статирования и рабочей частоты РТ при изменениях температуры среды в пределах
И* 323

рабочего интервала. Как правило, за базовую температуру среды принимается
+25 °С.
Температура статирования — температура, поддерживаемая в РТ в
установившемся рабочем режиме постоянной с допусками в заданных условиях
эксплуатации.
Базовая температура статирования — значение рабочей температуры
статирования при базовой температуре среды — обычно при +25 °С и номинальном
напряжении питания. От базовой температуры статирования отсчитываются
нестабильности температуры статирования.
Точность поддержания температуры статирования (синонимы: точность
термостатирования, ошибка термостатирования) — изменение температуры
статирования от тех или иных внешних воздействий с учетом динамики работы
терморегулятора. Наибольшие изменения температуры статирования,. как
правило, имеют место при изменениях температуры среды. Поэтому часто под
точностью поддержания температуры статирования понимают именно ее
изменения в интервале рабочих температур.
Статическая ошибка термостатирования — изменение температуры
статирования в интервале рабочих температур среды без учета обусловленных
процессом терморегулирования динамических колебаний температуры статирования
Поскольку, как правило, статическая ошибка термостатирования на 1 ... 3
порядка больше динамической ошибки, под точностью поддержания
температуры статирования часто понимают именно статическую ошибку. Статическая
ошибка имеет принципиально две различные составляющие. Во-первых,
различают статическую ошибку из-за несовершенства конструкции ТСУ (различия в
теплообмене термодатчика и объекта термостатирования) при идеальном
терморегуляторе с бесконечным коэффициентом передачи и, во-вторых,
статическую ошибку терморегулятора из-за конечной величины его коэффициента
передачи. Статическая ошибка в РТ обычно отсчитывается от базовой
температуры статирования, определяемой при температуре среды +25 °С. Статическая
ошибка определяет температурную нестабильность частоты РТ 'наряду с ТЧХ
пьезоэлемента.
Динамическая ошибка термостатирования — изменение температуры
статирования при постоянной температуре окружающей среды, обусловленное
процессом терморегулирования. В отличие от статической динамическая ошибка
термостатирования определяет, 'наряду со свойствами ПЭ, кратковременную
нестабильность частоты и шумовые параметры выходного сигнала.
Под статической и динамической ошибками терморегулятора понимают
соответствующие ошибки в месте установки термодатчика.
Температурная нестабильность частоты РТ — изменение рабочей частоты
РТ в установившемся режиме, вызванное изменениями температуры окружающей
среды в соответствующем интервале. Как правило, температурная нестабильность
частоты РТ отсчитывается относительно рабочей частоты при базовой
температуре среды +25 °С.
Температурно-частотная характеристика (ТЧХ) РТ — изменение рабочей
частоты РТ в зависимости от температуры окружающей среды. ТЧХ РТ
определяется в установившемся режиме с включенной системой термостатирования и
принципиально отличается от ТЧХ традиционных резонаторов, в которых
температура ПЭ практически равна температуре окружающей среды. Не следует
путать ТЧХ пьезоэлемента РТ и ТЧХ РТ.
Напряжение питания РТ-—в зависимости от контекста:
для саморегулирующихся РТ — напряжение, подаваемое непосредственно на
нагреватель РТ;
для РТ с внешним терморегулятором — напряжение, подаваемое на
оконечный каскад терморегулятора.
Нестабильность частоты РТ от напряжения питания (иногда — режимная
нестабильность частоты) — изменение рабочей частоты РТ, вызванное
изменением напряжения питания при неизменных прочих внешних условиях. При резком
(скачкообразном) изменении напряжения питания различают динамическую
нестабильность — выбег частоты, обусловленный тепловым переходным процессом,
и статическую (остаточную) нестабильность частоты после завершения
переходного процесса.
324

Долговременная нестабильность частоты РТ —изменение рабочей частоты РТ
во времени, вызванное необратимыми изменениями в элементах РТ. Обычно в
НТД на РТ указывается долговременная нестабильность частоты за те или иные
интервалы времени, например сутки, 1 мес, 6 мес, 1 год, 15 лет. Часто
указывают нестабильность частоты РТ за соответствующее число часов наработки,
например 500, 1000, 5000, 10 000, 15 000, 40 000 ч. При определении
долговременной нестабильности РТ указывают время после включения, с которого
начинается ее отсчет. Наработка РТ во всех случаях подразумевается с включенной
термостатирующей системой. Иногда долговременной нестабильностью частоты
называют и изменения частоты РТ в режиме хранения, а также в режиме
работы с перерывами, например по нескольку часов в сутки.
Эквивалент генератора для РТ — устройство для измерений электрических
параметров и испытаний РТ, обеспечивающее электрический режим его работы,
идентичный эксплуатационному режиму у потребителя. Однако по сравнению с
реальным генератором эквивалент вносит меньшую дополнительную
нестабильность частоты. В случае прецизионных РТ эквивалент генератора, как правило,
включает в себя терморегулятор, обеспечивающий поддержание температуры
термодатчика РТ с заданной точностью.
26.3. Основные параметры. Классификация. Стандартизация.
Схемные обозначения РТ
Для большинства применений РТ необходима следующая совокупность
основных параметров.
Электрические параметры: номинальная частота с указанием рабочего
порядка колебаний; относительное отклонение рабочей частоты от номинальной —
точность настройки; добротность; сопротивление; параллельная емкость;
ослабление побочных резонансов по отношению к основному; температурная
нестабильность частоты (ТНЧ); долговременная нестабильность частоты (ДНЧ);
нестабильность частоты от изменений напряжения питания; нестабильность частоты
от механических и климатических воздействий; нестабильность частоты
(продолжительность срыва колебаний) от воздействий ионизирующих излучений (в
необходимых случаях); мощность, потребляемая нагревателем в установившемся
режиме; максимальное (пиковое) значение мощности, потребляемой в период
выхода на режим после включения; время установления частоты с момента
включения с заданной нестабильностью; максимальный «выбег» частоты в период
выхода на режим.
Параметры режима эксплуатации: максимальная мощность рассеяния на ПЭ:
напряжение питания термостатирующей системы (ТСС) — номинальное значение
и допустимые отклонения от него; статическая ошибка терморегулятора.
Массогабаритные характеристики: масса, габаритные размеры, расположение
выводов, цоколевка.
Допустимые внешние воздействующие факторы (ВВФ): вибрационные
нагрузки (синусоидальная вибрация); ударные нагрузки — удары многократного и
одиночного действия; пониженная температура среды (рабочая и предельная);
повышенная температура среды (рабочая и предельная); уровни различных
ионизирующих излучений (в необходимых случаях).
Показатели надежности: гарантийная (минимальная) наработка;
сохраняемость.
По перечисленным параметрам следует отметить ряд особенностей. В отличие
от традиционных термостатируемых резонаторов точность настройки РТ
проверяют не при температуре настройки, а в нормальных климатических условиях
(НКУ) (или при 25 °С) с включенной ТСС. Температурную нестабильность
частоты РТ определяют, как это принято для высокостабильных КГ [81],
относительно частоты в НКУ, т. е. при изменениях температуры среды от нормальной
до пониженной рабочей и от нормальной до повышенной рабочей. Нормирование
«выбега» частоты в период выхода на режим необходимо при опасности
влияния включения данной РЭА на другую, работающую на соседних частотных
каналах. Статическая ошибка терморегулятора нормируется для прецизионных
12°—45
325

РТ, эксплуатируемых с внешним терморегулятором, входящим в аппаратуру
потребителя РТ.
Указанные параметры — потребляемая мощность, время установления
частоты, напряжение питания, статическая ошибка терморегулятора, а также
«выбег» частоты после включения — специфичны для РТ и у обычных ПР
отсутствуют. Другие параметры —точность настройки, температурная и
долговременная нестабильность частоты, нестабильность частоты от различных
воздействий—существенно отличаются от присущих обычным ПР по конструктивно-
технологическим принципам и методам испытаний, поскольку связаны с
системой внутреннего термостатирования РТ. Традиционные для КР параметры —
добротность, сопротивление, параллельную емкость и ослабление побочных ре-
зонансов -— иногда также проверяют с включенной ТСС. Во избежание
недоразумений для точного, недвусмысленного толкования и сравнительной оценки
основных электрических параметров РТ необходимо указывать определяющие
их факторы и условия, приведенные в табл. 26Л.
В настоящее время классификация РТ не установлена; РТ с их
существенными особенностями не нашли отражения в стандарте [84]. При
классификации РТ для них должны сохраниться основные признаки классификации ПР:
материал пьезоэлектрика, вид среза и вид колебаний ПЭ, назначение,
диапазон частот, стабильность частоты, жесткость условий эксплуатации,
конструкция корпуса и газовая среда в нем. Однако кроме общих для ПР у РТ
имеется важнейший собственный классификационный признак, в значительной
мере определяющий их характеристики, — это построение ТСС. Имеется и еще
один специфичный для РТ классификационный признак — номинальное
напряжение питания ТСС, обычно от 5 до 27 В постоянного тока.
По стабильности частоты, как н в традиционных ПР, з РТ целесообразно
выделить высокостабильные (прецизионные) и обычные (широкого
применения).. Можно выделить и промежуточную группу РТ повышенной
стабильности. Ясно, что это деление условное. Стабильность частоты зависит от
различных по своей природе воздействий. Поэтому различают стабильность
кратковременную, долговременную, температурную, от воздействия механических,
климатических и радиационных ВВФ.
За классификационный параметр стабильности частоты явно
нецелесообразно принимать точность настройки, так как при применении РТ в РЭА с
помощью корректора частоты всегда устанавливают частоту с требуемой
высокой точностью, т. е. точность настройки РТ как их эксплуатационный
параметр теряет значимость. Можно было бы, следуя [1], принять за
классификационный параметр суточную нестабильность частоты, считая прецизионными РТ
с суточной нестабильностью частоты лучше Ю-8'. Однако (см. табл. 26.1)
суточная нестабильность частоты сильно зависит от времени предварительной
наработки, а также предшествующей включению паузы.
За классификационный параметр стабильности частоты РТ целесообразно
принять ТНЧ, прямо связанную с построением ТСС, как это принято для КГ
в [21]. Но и здесь условности деления, связанные с шириной интервала
температур и выбранным количественным критерием, сохраняются. Следуя
принятому в [21] для ТСКГ, будем относить к прецизионным РТ с ТНЧ не хуже
±10-г.. Однако для определенности и придания данному критерию полноты
необходимо дополнить его указанием интервала температур. Будем
придерживаться жесткого толкования прецизионности, считая, что норма ±10-7
относится к широкому интервалу температур среды — «шириной» от 100... 110° до
130... 145°С. РТ с температурной нестабильностью частоты от +1?0-7 до
rh5-10"*7 будем относить к РТ повышенной стабильности.
Верхняя граница температурной нестабильности частоты для РТ широкого
применения фактически установлена в стандарте [75] и составляет ±3· 10~6,
для целого ряда применений по [77] она расширена до ±10·10~6.
Отметим, что [81] относит к высокостабильным термостатированные КГ с
допустимой нестабильностью частоты от воздействия дестабилизирующих
факторов до ±C... 5) -Ю-7*. Это дает возможность существенно смягчить
критерий, по которому РТ относятся к прецизионным.
326

12°*
Ш
Таблица 26.1. Основные параметры РТ и определяющие их эксплуатационные
факторы
Параметры ? ?
Температурная нестабильность
частоты
Нестабильность частоты от
механических, климатических и
радиационных ВВФ
Долговременная
нестабильность частоты
Мощность, потребляемая в
установившемся режиме
Время установления частоты
с момента включения
Определяющие эксплуатационные факторы
Интервал температур среды
Уровни соответствующих ВВФ
а). Режим эксплуатации — наработка и (или)
хранение
б). Интервал времени, за который задается
нестабильность частоты (сутки, 1 г.,
1000 ч, 40 000 ч и т. д.)
в). Интервал времени с момента включения
РТ, после которого отсчитываетея
оцениваемый по нестабильности частоты
интервал времени
(фактически—продолжительность предварительной наработки)
г). Продолжительность пребывания в
выключенном состоянии перед включением.
Учитывается при оценке ДНЧ прецизионных
| РТ
д). Повышенная рабочая температура
среды, определяющая температуру статиро-
вания
а). Температура среды, при которой задается
данное значение мощности
б). Повышенная рабочая температура среды,
определяющая температуру статирования, :
а). Заданная точность установления частоты
б). Температура среды, при которой задается
в;ремя установления частоты
в). Время с момента включения, через
которое определяется значение частоты,
принимаемое за установившееся (от 40 .,,
... 60 мин до 24 ч). Сильно сказывается
¦на количественной оценке времени
установления частоты с высокими точностями
(Ю-7 и лучше), при точностях @,5... 1)Х
Х10~6 отражается слабо
г), Продолжительность пребывания в выклю-
1 ченном состоянии перед включением. Не-
| обходимый минимум определяется
временем установления теплового равновесия
? ,,?? с окружающей средой, обычно около
2 ч. Для оценок времени установления
частоты с высокими точностями (порядка
Ю-8) указанной выше предварительной
выдержки может оказаться недостаточно

Развитие разработок, производства и применения РТ привело к началу
стандартизации их параметров. Как самостоятельный вид пьезоэлектронных
приборов новая классификационная группировка КР — РТ выделена в [95],
где установлен состав их основных параметров — показателей качества. При
этом как важнейшие показатели функционирования РТ определены следующие:
ТНЧ; мощность, потребляемая в установившемся режиме; время установления
частоты с момента включения; относительное изменение рабочей частоты за
соответствующий интервал времени эксплуатации.
Первым Государственным стандартом СССР, охватившим РТ (под их
буквальным названием «резонаторы с внутренним термостатированием»),
явился [75], установивший ряды значений для некоторых основных параметров РТ:
точности настройки от ±5«10~6 до +Ы0-6, интервала рабочих температур,
максимального относительного изменения рабочей частоты от температуры от
гЬЗ-10-5 до ±Ы0-7 °С, а также напряжения питания. Значительно полнее
отражен накопившийся опыт разработок, производства и применения РТ в
более позднем стандарте [77], где введены допустимые значения точности
настройки до гЬ 10-ТО-6, что вполне приемлемо для РТ с колебаниями первого
порядка без ухудшения стабилизирующих свойств при установке рабочей
частоты. Кроме того, в [77] значительно расширен, по сравнению с [75], ряд
допустимых интервалов рабочих температур среды, значений температурной
нестабильности частоты и ряд номинальных значений напряжения питания.
В целом стандартизация РТ находится в начальной стадии. Практика
согласования технических требований на РТ и их применения в различных
видах РЭА показала явную недостаточность первоначально установленного в
[75] ряда напряжений электропитания, где, в частности, отсутствовало такое
широко распространенное для ТСКГ (и вообще в подвижной РЭА)
напряжение, как 27 В. Сказанное было учтено в [77]. Для РТ можно рекомендовать
следующий ряд номинальных значений напряжения питания ТСС: 5; б F,3); 9;
12 A2,6); 15; 18; 20; 24 и 27 В.
Похожая ситуация имела место и с интервалами рабочих температур РТ,
Кроме весьма актуального интервала —60... +70 X, стандарт [75]
первоначально содержал лишь интервалы — 60 ... +85 и —60 ... +100 "С. Однако
длительная работа РТ при повышенных температурах среды 85 и 100 °С приводит к
необходимости термостатирования ПЭ соответственно при температурах в
окрестности 95 и 110°С. Хорошо известно, что такое повышение рабочей
температуры ПЭ резко ухудшает долговременную стабильность частоты (иногда по
закону «в 2 раза на каждые 10 °С повышения температуры»). В значительной
меое по этой причине прецизионные источники опорных частот при компоновке
РЭА устанавливают в зонах минимальных перегревов, в частности у
наружных кожухов или в зонах интенсивной принудительной вентиляции.
Практика согласования технических требований на РТ и их применение в
различных видах РЭА показывают, что в соответствии с [75, 76] и особенно
Г771 я тякже учитывая [81], для РТ можно рекомендовать следующий ряд ин-
йрв'алов рабочих темперУр: ¦0....+45 ( + 50); -10-4-55 ( + 60); -25 (-30) ...
+ 55D-60)· -40(-45) ... +55(+60); —40(-45) ... +70; -60 ... +60 и -60 ...
"*70°С В последнем случае в подвижной РЭА иногда требуется обеспечить
сохранение норм на стабильность частоты при перегревах до 75 °С, т. е.
фактически интервал может быть —60... +75 °С.
К стандартизации КГ на РТ, к сожалению, сложилось два совершенно
разных подхода в зависимости от ведомственной подчиненности
разрабатывающего и выпускающего их предприятия. С точки зрения требований по стойкости
к ВЁФ надежности контролю качества и правилам приемки КГ в одних
случаях обоснованно рассматриваются как блоки РЭА, а в других -
принципиально иначе—как унифицированные комплектующие изделия электронной
техники (ИЭТ). Второй подход приводит к значительному и далеко не всегда
оправданному усложнению разработок и производства КГ.
* Основная составляющая этой величины — ТНЧ. Кроме ТНЧ в ^ данную
норму включена также нестабильность частоты ?? воздействия вибрации,
влажности и изменений напряжений питания [81].
328

;
? ll'.i
/~
?
/
?
??)
?
I 1
<-
?
j
F
?
J
7
ПЭ
^
fh
i\
8
}
7
Рис. 26.1. Схемные изображения
резонатора-термостата (? — газопоглотитель, ПЭ — пьезо-
элемент):
а ~ с саморегулирующимся позисторным нагревателем
R; б — с позисторным нагревателем Л/ и отдельным
позистором-датчиком температуры R2; в — с
позисторным нагревателем J?/, отдельным позистором-датчиком
температуры R2 и варикапом ВК дистанционного
корректора частоты
Номера выводов соответствуют цоколевке корпуса РТ
До настоящего времени при заказе и в документации для РТ
используются по сути те же условные обозначения, что и для традиционных ПР.
Стандартом [84] в условное обозначение ПР не введены признаки, выделяющие РТ
и тем более отражающие их специфику. Информативность таких обозначений
мала: качественно разные РТ в обозначении отличаются друг от друга и от
обычных ПР лишь регистрационным номером.
Более серьезен вопрос об изображении РТ на электрических схемах.
Схемные изображения РТ не стандартизованы. Из-за наличия в РТ ряда
функциональных элементов, подключаемых (и неподключаемых) к внешним
цепям, неясность и путаница недопустимы. Тем более, что состав
функциональных элементов у разных типов РТ может существенно различаться1, а
схемы соединений элементов РТ с его выводами также не стандартизованы ч
каждый раз определяются разработчиком из конкретных
конструктивно-технологических соображений. В этой связи представляется целесообразным за
основу схемного изображения РТ принять именно схему соединений
функциональных элементов РТ с его выводами, приводимую изготовителем в ТУ и в
паспорте на РТ. Причем во избежание путаницы при монтаже в изображении
на принципиальных схемах следует сохранять номера подсоединенных
выводов. Примеры рекомендуемых схемных изображений некоторых промышленных
видов РТ показаны на рис. 26.1.
26.4. Основные особенности, проблемы обеспечения теплового
режима РТ. Базовая конструкция
Не только разработчикам РТ, но и их заказчикам важно понимать
проблемы построения этих устройств. Без такого понимания правильный подход к
выработке и согласованию технических требований и эффективная их
реализация затруднены.
Попытки практической реализации РТ в свое время не случайно
натолкнулись на значительные трудности. Многие технические решения обнаружили
серьезные недостатки, и прежде всего низкую температурную стабильность
частоты. И это при работе с прецизионными терморегуляторами, имеющими
статическую ошибку 0,1... 0,2 °С и лучше, и настройке их на экстремум ТЧХ ПЭ.
Так, в [26.24] фактическая нестабильность частоты в интервале температур
среды —40... +75°С составляла ±2·10~7. Для РТ конструкции типа «баллон
в баллоне» [26.23] результаты еще хуже: в интервале —60...+60°С неста-
1 Обязательно в состав входят лишь ПЭ и нагреватель, другие элементы
(датчик температуры, варикап, газопоглотитель) могут не входить.
32$

бильность частоты достигает @,5 ... 1) · 10~б. Даже в современных РТ с пленоч
ным нагревателем на ПЭ [26.44 — 26.46] нестабильность частоты в сравнитель"
но узком интервале —10... +55 °С около +Ы0~7, а при расширении интео^
вала температур существенно ухудшается. ^'
Другой проблемой построения промышленных РТ неожиданно явилась
практическая реализация малого энергопотребления, т. е. одного из принципа·
альных достоинств этих устройств. Так, в [26.24] из-за газовыделения внутри
корпуса потребляемая мощность уже через 30 сут после герметизации
возрастала почти в 4 раза и при —40 °С составила примерно 1 Вт. Еще больше
(почти 4 Вт) энергопотребление РТ, описанного в [26.16]. Нерешенность
проблемы сохранения вакуума, т. е. теплоизоляции, в РТ была отмечена в выводах
[26.24] и даже в гораздо более поздней работе [26.57], посвященной построе-
нию КГ для радиобуев международной программы «САРСАТ — КОСПАС». На
основании полученных результатов в [26.21] был сделан ошибочный вывод q
том, что по экономичности энергопотребления РТ не имеют сколько-нибудь
заметных преимуществ перед наружными термостабилизирующими
устройствами (ТСУ) на базе сосудов Дьюара.
Анализ, проведенный в ходе отечественных исследований в 1972—1978 го-
дах, показал, что в части обеспечения необходимого теплового режима РТ
имеют существенные отличия от резонаторов с наружным термостатированием,
Основные отличия обусловлены тем, что в РТ тепловой поток от нагревателя в
стационарном режиме проходит непосредственно по держателю и термостати·
руемому узлу. Как следствие в конструкции РТ неизбежны значительные тем*
пературные перепады. Особенность дестабилизирующего влияния этих
температурных перепадов на частоту состоит в их резком изменении с
температурой окружающей РТ среды — соответственно изменению выделяемой
нагревателем мощности. Чем ниже температура среды, тем больше тепловые потерн
РТ и соответственно температурные перепады в его конструкции, и наоборот.
Будучи свойством конструкции РТ, неравномерности температурного поля а
его термостатируемом узле не устраняются терморегулятором, который под·
держивает постоянной температуру одного датчика температуры.
Влияние неравномерности температурного поля в термостатируемом узле
РТ на стабильность частоты при изменениях температуры среды двояко. С
одной стороны, большие и резко изменяющиеся температурные перепады между
нагревателем и ПЭ вносят «вклад» в статическую ошибку терморегулятора»
причем он может значительно превышать статическую ошибку. С другой
стороны, градиенты температуры в самом ПЭ, которые также сильно меняются с
температурой среды, резко искажают его частотные свойства так, что понятие
ТЧХ ПЭ в этих условиях теряет смысл.
Как правило, изменяющиеся неравномерности температурного поля в ПЭ
нежелательны и повышают нестабильность частоты. Последняя обычно во мно*
го раз (часто на несколько порядков) превышает нестабильность частоты
равномерно разогретого ПЭ при типичных для статической ошибки
терморегулятора небольших (на 0,1... 0,2 °С) отклонениях его температуры от экстремума
ТЧХ.
Поясним сказанное следующим примером. Для термостатируемых ПЭ среза
AT изменения ч*астоты б/ при небольших отклонениях температуры ?
от температуры рабочего экстремума ТЧХ (Тэ) приближенно
описываются соотношением б/ = 2-10~~8 {Т—ГэJ. Тогда при 6Т = Т—Тэ = 0,2 С
имеем ?/=.8·10~0. Однако даже современные прецизионные РТ, реализованные
в рассматриваемой далее базовой конструкции, при той же статической ошибке
терморегулятора 0,2 °С. из-за изменяющихся градиентов температуры в ПЭ
имеют температурную нестабильность частоты примерно B ... 2,5) · 10~8, т.. е..
в 30 раз хуже.
Именно неравномерности температурного поля в термостатируемом узле и
самом. ПЭ явились основной- причиной значительной температурной
нестабильности частоты многих известных конструкций РТ [26.16, 26.23, 26.24, 26.45].
В обеспечении теплового режима РТ имеются и. другие существенные
отличия от резонатора с традиционным наружным термостатированием. Так, При
наружном термостатировании резонатора:
330

увеличение размеров корпуса резонатора ведет к росту потребляемой
мощности;
теплоизоляция ПЭ от корпуса резонатора, т. е. конструкция держателя и
вакуум резонатора, на потребление не влияют;
улучшение теплоизоляции ПЭ от корпуса резонатора удлиняет процесс
разогрева и установления частоты после включения термостата.
В случае РТ наоборот:
увеличение размеров корпуса обычно позволяет уменьшить
энергопотребление (за счет увеличения термического сопротивления держателя);
потребление существенно зависит от конструкции держателя и степени
вакуума;
улучшение теплоизоляции ПЭ от корпуса ускоряет его разогрев и
установление частоты после включения.
Кроме того, по сравнению с обычными резонаторами, в РТ осложнено
обеспечение стойкости к жестким механическим воздействиям. В обычных
резонаторах эта проблема часто решается увеличением толщины стоек держателя
или (и) увеличением их числа и уменьшением их длины. В РТ через стойки
держателя, на которых смонтирован термостатируемый узел, происходит теп-
лоотвод, и указанный путь здесь неприемлем, поскольку приводит к росту
тепловых потерь. Таким образом, при создании РТ приходится разрешать
противоречие между требованиями уменьшения энергопотребления и обеспечением
стойкости к механическим воздействиям. При особо жестких . воздействиях
(длительные вибрации в диапазоне частот 10 ... 5000 Гц с ускорением 40 g,
одиночные удары 1500 g и многократные удары 150 g) создание экономичных
по энергопотреблению РТ затрудняется.
Сказанное выше обусловило проведение соответствующих исследований,
особенно теплофизических расчетов. При этом были выработаны и
сформулированы следующие теплофизические принципы построения прецизионных,
экономичных РТ с малым временем выхода на режим [26.42]:
1. Термическое сопротивление участка кристаллодержателя, лежащего на
пути стационарного теплового потока от нагревателя до мест установки ПЭ,
должно быть минимальным.
Полное термическое сопротивление между нагревателем и ПЭ Rts может
быть сравнительно велико E0... 100 Х/Вт) из-за тонких стоек, в которых
закреплен ПЭ. Совершенство конструкции здесь достигается не устранением Rts,
а устранением теплового потока через Rts. В установившемся режиме
тепловой поток должен проходить лишь через термическое сопротивление Rm,
составляющее возможно меньшую часть Rtsi
2. В стационарном режиме тепловые потоки по самому ПЭ или, по
крайней мере, в его активной зоне должны быть сведены к минимуму;
3. Термическое сопротивление теплопередаче от термостатированного узла в
окружающую РТ среду должно быть максимальным, так как величины
возникающих в термостатированном узле градиентов температуры пропорциональны
рассеиваемой мощности, а уменьшение энергопотребления — одно из основных
требований к РТ;
4. Термическое сопротивление стоек кристаллодержателя, в которых
закреплен ПЭ, должно быть возможно меньше, поскольку через эти стойки в
период выхода на режим происходит теплопередача от нагревателя к ПЭ.
Снижение термического сопротивления должно достигаться уменьшением
длины стоек и увеличением теплопроводности их материала, а не увеличением
площади сечения, приводящим к росту теплоемкости. Другой путь сокращения
времени выхода на режим РТ — минимизация массы термостатируемого узла,
что, однако, противоречит первым двум принципам.
Первому условию удовлетворяет установка ПЭ и нагревателя на одном
высокотеплопроводном основании кристаллодержателя. Контакт нагревателя с
кристаллодержателем должен иметь минимальное тепловое сопротивление, что
ограничивает использование проволочного нагревателя. Так, в [26.16] перепад
температур между проволочным нагревателем и ПЭ при температуре среды
—60 °С превысил 100 °С.
Второе условие приводит к установке ПЭ внутри высокотеплопроводного
кожуха (колпачка) с малой степенью черноты наружной поверхности. Внутрен-
331

няя камера РТ, состоящая из соединенных вместе основания, на котором см
тированы ПЭ и нагреватель, и колпачка, является тепловым экраном, созл°Н'
щим вокруг ПЭ область с равномерным температурным полем. Температу *
этой камеры очень близка к температуре нагревателя, установленного на
основании. Тем самым резко уменьшаются тепловой поток с поверхности ПЭ^
соответствующие градиенты температуры в нем, а также перепад температу*
между нагревателем и ПЭ. 'Р
Второе условие определяет осторожность, с которой следует подходить
созданию РТ с пленочным нагревателем на ПЭ. В таких РТ размещение на-
гревателя непосредственно на ПЭ определяет важнейшие достоинства — малые
время установления частоты и габариты [26.21, 26.43, 26.65]. Однако при этом
тепловой поток, выделяемый нагревателем, проходит непосредственно по ПЭ
создавая значительные градиенты температуры [26.22, 26.43]. Изменение ве!
личин этих градиентов с температурой окружающей среды ухудшает стабиль-
ность частоты при расширении интервала рабочих температур.
Первые два условия определяют основу конструкции РТ и обобщаются: в
идеале ПЭ должен быть вне зоны прохождения стационарного теплового
потока от нагревателя в окружающую РТ среду и соответствующих температурных
перепадов, что схематично показано на рис. 26.2. Необходимо предельное
уменьшение всех составляющих теплопередачи от термостатированного узла в
окружающую среду (к корпусу РТ): через газ, излучением, кондукцией через
элементы механического крепления термостатированного узла и его выводы.
Для этого термостатированный узел (камера с нагревателем, датчиком
температуры и ПЭ) должен быть размещен в тщательно вакуумированном корпусе,
на поверхность которого нанесено теплоотражающее покрытие. Держатель д
токоотводы должны иметь возможно более высокое термическое
сопротивление.
Унифицированная базовая конструкция РТ схематично показана на рис.
26,3 ?[26.1, 26.25, 26.36, 26.41]. На стойках кристаллодержателя внутри камеры
укреплен ПЭ. На внешней поверхности ее основания смонтированы элементы
Рис. 26.2. Тепловая модель
резонатора-термостата:
/ — ПЭ; 2 — тепловой экран
(изотермическая камера); 3— тепловая изоляция; 4 —
нагреватель и датчик температуры; 5 —
держатель, крепящий термостатируемый
узел. Стрелками показаны тепловые по-
. токи в окружающую среду
332
Рис. 26.3. Базовая конструкция
резонатора-термостата:
/ — пьезоэлемент; 2 — стойки
кристаллодержателя; 3 — колпачок (тепловой №
ран); 4 — основание камеры; 5 — Ha^Ex|
ватель и датчик температуры; 6 — сто ЯК.
держателя; 7 — фиксирующее основани
с распорными пружинами; 8 — баллов^
9 — нераспыляемый газопоглотитель; ??_Т
основание корпуса с выводами; 11 — тепл
отражающее покрытие

^регулирования" (нагреватель и датчик температуры). Весь термостати-
ванный узел с помощью металлических стоек и промежуточного
фиксирующего основания, снабженного распорными пружинами, смонтирован в вакууми-
ованном корпусе. Стойки одновременно служат отводами нагревателя,
датчика температуры и ПЭ. Для обеспечения высокой степени разрежения конст-
кция содержит нераспыляемый газопоглотитель, укрепленный на выводах
снования. На внутреннюю поверхность баллона нанесено металлическое тепло-
отражающее покрытие.
Термодатчик как отдельный элемент конструкции на рис. 26.3 не выделен,
поскольку саморегулирующиеся РТ с позисторным нагревателем его не
содержат. Нагреватель с большим ТКС (познстор) в прецизионном РТ может быть
использован для терморегулятора с объединением функций нагревателя и
датчика [26.39]. Часто датчиком служит элемент того же типа, что и
нагреватель [26.53].
? диапазоне частот 1 ... 10 МГц описанная базовая конструкция легко
реализуется в стеклянном корпусе типа Д от радиоламп пальчиковой серии
@ 22,5 мм). Уже реализованы РТ и в меньшем пальчиковом корпусе типа
С @ 19 мм).
Разнообразие проблем, решаемых при разработке РТ, потребовало
согласованных усилий специалистов различного профиля — теплофизиков, кварцеви-
ков, технологов и конструкторов электровакуумных приборов (ЭВП),
схемотехников.
26,5. Равномерность температурного поля в термоетатируемом
узле и температурная стабильность частоты РТ
Не вдаваясь в описание тепловых моделей и теорию тепловых задач,
качественно опишем основы построения термостатируемого узла базовой
конструкции РТ (см. рис. 26.3).
1. Перепад температур по основанию термостатируемого узла приводит к
появлению теплового потока через ПЭ и соответствующих ему градиентов
температуры в ПЭ. Именно эти, резко изменяющиеся с температурой среды,
температурные перепады в ПЭ являются дестабилизирующим фактором,
ухудшающим температурную стабильность частоты РТ. Изменения частоты РТ от
температуры среды часто качественно отличаются от ТЧХ равномерно
разогретого ПЭ вблизи ее экстремума.
2. Для наиболее распространенных ПЭ толщинно-сдвиговых колебаний
(AT, БТ, СЦ) эффективным путем уменьшения неравномерностей
температурного поля в ПЭ является увеличение толщины ПЭ, т. е. снижение частоты и
увеличение рабочего порядка колебаний. Поэтому наряду с соображениями
лучшей долговременной стабильности частоты и нецикличности прецизионные РТ
разрабатывают на частоты пока не выше 10 МГц с колебаниями на
обертонах.
3. Другие пути уменьшения температурных перепадов в термостатируемом
узле и в самом ПЭ: увеличение термического сопротивления отводов;
увеличение толщины основания термостатируемого узла и выполнение его из
материала с возможно более высокой теплопроводностью.
4. Выбор толщины основания термостатируемого узла достигается
компромиссом, так как увеличение его массы удлиняет время разогрева и снижает
стойкость конструкции к механическим воздействиям. Определенные
трудности встречает и выбор материала для основания, который также противоречив.
Технологически для впаивания стеклянных изоляторов наиболее приемлемы ко-
вар и сплав 47НД. Однако их теплопроводность весьма невысока.
5. Кроме градиентов температуры в ПЭ, а также статической ошибки тер-
мостатирования температурная стабильность частоты РТ зависит от порядка
колебаний ПЭ. В линзовых и (или) фасетированных ПЭ, совершающих
колебания на обертонах, активно колеблющаяся зона меньше и локализована в
Центре пластины [8, 26.66, 26.67]. Поэтому в них температурные перепады,
333

сосредоточенные в основном по перифепи
ПЭ, мало влияют на активную зону и темп
ратурная стабильность частоты выше, чем ???
колебаниях первого порядка. ' * р
6. Можно считать, что все неравномерное
ти температурного поля в термостатируемом
узле (и ПЭ) обусловлены перепадами темпе
ратур по основанию, в которое вводится
практически все выделяемое нагревателем
тепло, и дополнительными неравномерностями
температуры из-за теплопередачи излучением
и через остаточный газ можно пренебречь.
При нарушении основ построения РТ
представленных на рис. 26.2, в частности при
отсутствии колпачка (теплового экрана), а
также теплоотражающего покрытия, картина
резко меняется. Из-за теплового излучения с
ПЭ появляются, во-первых, значительный
дополнительный перепад температуры между
нагревателем и ПЭ (около 5 °С) *, который
эквивалентен резкому увеличению статической
ошибки термостатирования, и, во-вторых,;
большие радиальные перепады температуры
по самому ПЭ (примерно 1,3 °С для f = Ю
МГц, п = 3\ *. В результате температурная
стабильность частоты РТ 'существенно
ухудшается. Для сравнения: при наличии колпачка
(теплового экрана) и теплоотражающего покрытия в базовой конструкции
соответствующие значения температурных перепадов около Ы0~з И 3-10'-4°С*.
В порядке количественной иллюстрации изложенных выше выводов в,,
табл. 26:2 приведены приближенные данные -по оценке температурных пере-па--,
дов в ПЭ базовой конструкции РТ при температуре окружающей среды —60 °С
(при мощности, выделяемой нагревателем, 0,3 Вт).
7. Существенно уменьшить неравномерности температурного поля в
термостатируемом узле, и в частности перепады температур в ПЭ тю сравнению с
приведенным в табл. 26.2, позволяет введение в конструкцию РТ второй
ступени термостатирования, которая, как показано па рис. 26.4, легко реализуется-
установкой дополнительного нагревателя (и при необходимости термодатчика)
на промежуточном фиксирующем основании. При этом тепловые потоки по тер-
мостатируемому узлу и соответствующие им температурные перепады резко
уменьшаются. Однако общее потребление РТ .возрастает примерно в 1,4 раза.
Экспериментальные исследования влияния неравномерности температурного,
поля в ПЭ на температурную стабильность частоты полностью подтвердили
изложенное. Исследования проводились на РТ базовой конструкции,
идентичных по конструкции и технологии изготовления, кроме ПЭ. Отличие РТ друг"
от друга состояло в частоте и порядке колебаний ПЭ (все ПЭ среза AT круг-
Рис. 26.4. Базовая
конструкция РТ с двухступенчатым
термостатированием ПЭ.
Обозначения соответствуют рис.
26.3
Таблица 26.2. Тем
Рабочая
частота, МГц
1
2
5
5
Порядок
колебаний
1
1
1
3
пературные перепады в ПЭ резонатора-термостата
Перепад
температур
в ПЭ, °С
0,4
• 0,8
1,8
,7
Рабочая
частота, МГц
5 .
10
10
10
Порядок
колебаний
5
1
3
5
Перепад
температур
в ПЭ, ° С_
0,4
3,0
1,3
0,8
При температуре окружающей среды —60°С.
334

jiue, диаметром 13 ... 14 мм). Испытывались РТ в интервале температур —60...
'ti+60°C при точности поддержания температуры термодатчика 0,10... 0,15 °С.
Терморегуляторы РТ^во всех случаях были в нормальных условиях настроены
на экстремум рабочей частоты. .При этом температурная нестабильность часто-
тЫ составила: A ... 2) ·?0~8 для РТ рабочей частотой б МГц на пятом
обертоне, около 5-Ю"8 для ilO МГц на третьем обертоне и 1,5-10—7 для 10 МГц на
основной частоте.
26.6. Тепловые потери и энергопотребление РТ
в установившемся режиме
Общие предпосылки. Тепловые потери ТСУ в установившемся режиме и
соответствующее им потребление энергии принято описывать выражением [26.3,
26.9]
Q=P = <ytc(t8 — t0) = (t8 — t0)/RtCt B6.1)
л\де Q — тепловой 'поток, рассеиваемый ТСУ в окружающую среду, ??; ? —
средняя мощность подогрева, потребляемая от источника питания, Вт; ??0 и
JZtc ¦— соответственно полные тепловая проводимость (коэффициент
теплопередачи), Вт/°С, и тепловое сопротивление, °С/Вт, между термостатированным
узлом и окружающей средой; ^s и t0 — соответственно температуры статирования
и окружающей среды, °С.
Установка РТ в аппаратуре, как правило, обеспечивает хороший теплоот-
вод от его корпуса и выводов. Можно показать, что для всех практических
случаев внешнее термическое сопротивление между корпусом РТ и
окружающей средой пренебрежимо мало по сравнению с внутренним термическим
сопротивлением РТ между его термостатированным узлом и корпусом. Так, в
?26.24] первое составляет около 20 °С/Вт, а даже у массовых промышленных
РТ i?fC>300 °С/Вт, у ряда серийных конструкций 80-х годов i?iC~650 °С/Вт.
С учетом этого перегревом корпуса РТ относительно среды можно пренебречь
и при расчетах тепловых потерь РТ принимать, что корпус имеет
температуру среды. Это упрощает расчеты.
Тепловой поток от термостатированного узла к корпусу РТ переносится
остаточным газом Qm, излучением Qp и кондукцией через элементы
механического крепления и отводы QL Тогда общие тепловые потери РТ Q — Qm + Qe-l-Qi.
Полная тепловая проводимость равна сумме ее составляющих по указанным
видам теплопередачи: ??0 =?™ + ?? + ?~?· Для полного термического сопротивления
из тоех соединенных параллельно составляющих имеем l/Rtc= 1/&п + URe +
¦ + l/Ri.
Проведенные исследования позволили снизить тепловые потери РТ в 4 ...
... 5 раз по сравнению с ТСУ наружного термостатирования с вакуумной
теплоизоляцией на базе сосуда Дьюара и в 15 ... 20 раз по сравнению с ТСУ, имею-
¦щими обычную невакуумную, например пенопластовую, теплоизоляцию.
Рассмотрим последовательно каждую составляющую теплопередачи и практические
пути ее уменьшения.
Теплопередача через остаточный газ. В обычных вакуумных пезонатсрах
согласно действующей нормативно-технической документации (НТД)
остаточное давление не должно превышать 0.1 мм рт. ст. Проверку вакуума в
стеклянных баллонах производят с помощью искрового течеискателя—по
наличию внутри баллона голубого свечения электрического разряда в газе [76].
Для РТ совершенно неприемлемы как приведенное требование к остаточному
давлению, так и метод его проверки. Вакуум в РТ играет двоякую роль. Во-
'первых, ту же, что и в обычных резонаторах, — как средство повышения
добротности и долговременной стабильности частоты. Во-вторых, новую—как
теплоизоляция термостатированного узла с целью уменьшения
энергопотребления и неравномерности температурного поля.
neOenoc тепла в разреженном газе определяется значением критерия Кнуд-
сена /C« = /cp/L, где /ср—средняя длина свободного пробега молекул газа;
? ~ характерный для теплопередачи линейный размер [26.68]. При Кп^>\
335

(практически при /Ог>10) наступает свободно-молекулярный режим теплопе
реноса, в которОхМ теплопередача существенно ослаблена. На основе кинети*
ческой теории газов плотность свободно-молекулярного теплового потока от ?
полный поток Qm от нагретой поверхности, имеющей температуру TSf \}{
площадь Fs к неподвижному газу с давлением ? и температурой Г, К, опре-
деляются как
qm^as—-y^-—.<Ts_n Qm^gmFs> Bб.2>
где as — коэффициент термической аккомодации; ?~CP/CV —отношение тепло-
емкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме; #
—универсальная газовая постоянная; ? — молекулярная масса газа.
Вычисления с помощью соотношений кинетической теории газов
показывают, что в базовом РТ с учетом линейных размеров конструкции Кп=3,5 при
давлении Ю-3 мм рт. ст. и Кп — ЭБ при давлении 10~4 мм рт. ст. Таким
образом, для свободно-молекулярного режима переноса тепла в данном случае
надежным вакуумом следует считать разрежение 10~4 мм рт. ст.
Из B6.2) ясны основные пути снижения Qm\ уменьшение давления
остаточного газа и поверхности термостатированного узла. При разработке базовой
конструкции использованы оба пути. Давление остаточного газа в готовом РТ
не превышает <10~~4 мм рт. ст. (устанавливается с помощью газопоглотителя).
Поверхность Fs сведена к минимуму: для круглых ПЭ диаметром \2 ... 14 мм
термостатируемая камера приближенно представляет собой цилиндр диаметром-
16 мм, высотой 6 мм и .Fs^ 0,70 ·?10~3 м2.
Оценим количественно тепловые потери через остаточный газ.
Коэффициенты термической аккомодации для воздуха и конструкционных материалов
лежат в пределах 0,87... 0,97; для легких газов (Не, Н2) коэффициент
аккомодации на чистых металлических поверхностях существенно меньше [26.68]. Считая
аккомодацию полной ;(as=l), а аффективную температуру газа в РТ равной
температуре окружающей среды (Г=710), получаем заведомо завышенную
оценку тепловых потерь. С учетом принятых допущений вычисления по B6.2)
при 7 = Го-=213 К (—60°С); Г8=353 К (80 °С) и ?=10~4 мм рт. ст. дают;
для воздуха и окиси углерода qm=2,6 Вт/м2; для паров воды <7т —4,4 Вт/м2.
Тогда при .Fs = 0,70-il0_3 м2 общие тепловые потери через остаточный гаэ
Qm**2... 3 мВт.
Согласно полученному результату разрежение с /?^10~4 мм рт. ст.
следует считать эффективной вакуумной теплоизоляцией для РТ; при этом
теплопередача через остаточный газ пренебрежимо мала и не вносит заметного
вклада в общие тепловые потери. Вообще говоря, теплофизические требования
к вакууму ,в РТ не являются более жесткими, чем требования к вакууму в
обычных прецизионных резонаторах [7, 8].
Получение разрежений 10~4 ... 10~6 мм рт. ст. не представляет технической
трудности и сравнительно легко реализуется в производстве. Существенно
сложнее сохранение вакуума в объеме резонатора' и тем более в РТ. Сразу
после отпая штенгеля давление остаточных газов повышается на 1 ... 1,5
порядка. В дальнейшем из-за наличия в конструкции газовыделяющих элементов
давление продолжает повышаться. Следствием этого в обычных вакуумных
резонаторах является ухудшение долговременной стабильности частоты; в РТ,
кроме того, растет потребляемая мощность и ухудшается температурная
стабильность частоты из-за увеличения градиентов температуры в терхмостатиро*
ванном узле.
Для обеспечения требуемой степени разрежения, кроме соблюдения вакуум
ной гигиены в процессе изготовления, целесообразно использование
газопоглотителей (геттеров), на что указывалось в [7]. Впервые в отечественных КР #
РТ газопоглотитель был применен в РТ с биметаллическим терморегулятором
[26:11—26.13]. В нем был установлен распыляемый бариевый геттер, широко-
используемый в ЭВП. Однако распыляемым газопоглотителям присущ ряд
недостатков, существенных с точки зрения применения в ПР. Это частое
появление посторонних частиц в объеме резонатора, малая сорбционная емкость,
336

непостоянство и недостаточная воспроизводимость сорбционных
характеристик, увеличение габаритов резонатора из-за сложности защиты конструкции от
высоких температур активирования (распыления).
От указанных недостатков в значительной мере свободны нераспыляемьге?
газопоглотители [26.69]. Однако они длительное время не находили
применения в резонаторах и РТ. 'Причиной явилось принципиальное препятствие: пра
умеренных температурах (ниже 200 °С) активность нераспыляемых геттеров
очень мала. Резонатор — «холодный» электронный прибор. Функционально
«горячие» узлы, как, например, катод в электронных лампах, в резонаторах
отсутствуют. А специальный подогрев геттера от его собственного подогревателя при
эксплуатации аппаратуры невозможен из-за нагрева ПЭ и большого энергопо*
требления.
Указанное препятствие было преодолено в результате отечественных
исследований в середине 1970-х годов [26.36], позднее нераспыляемые геттеры
начали применять и в зарубежных разработках РТ [26.57, 26.68]. Ухудшение
вакуума, происходящее в результате отпая штенгеля и газовыделения элементов
конструкции, устраняется в производстве посредством технологической активи-
ровки геттера. Активировку осуществляют пропусканием тока через
подогреватель геттера. Во время активировки геттер поглощает выделившийся газ.
Высоко эффективными для использования в РТ оказались малогабаритные
пористые титановые газопоглотители типа ПТ-1 и особенно сменившие их циалевы©
газопоглотители (ПЦ-1.
Теплопередача излучением. С точки зрения теплообмена излучением РТ
представляет собой замкнутую систему, состоящую из невогнутого тела
(термостатированного узла), находящегося в полости другого тела — оболочка
(корпуса РТ) —и отделенного от него прозрачной средой (вакуумом). В этом
случае плотность потока результирующего излучения qe и полный поток Q# с
поверхности термостатированного узла определяются как [26.9, 26.70]
^^СовдКГв/ЮО)*—.(Го/ЮО)*]; Qe = qeF8, B6.3)
где С0~5,67 Вт/(м2-К4) —коэффициент излучения абсолютно черного тела;
?? — приведенная полусферическая интегральная степень черноты системы
«термостатированный узел — баллон».
Вид выражения для ?? зависит от оптических свойств оболочки [26.70].
Для теплового излучения при умеренных температурах поверхность баллона
может считаться оптически гладкой и соответственно отражающей зеркально.
В этом случае
ед=1/[A/вв) + A/в0)-1], B6.4)
где &s и 80 — соответственно полусферические интегральные степени черноты
термостатированного узла (при температуре Т3) и оболочки РТ (при
температуре Го). В B6.3) и B6.4) не входит площадь поверхности оболочки и,
таким образом, радиационные тепловые потери РТ от нее не зависят.
Из B6.3) и B6.4) ясны пути снижения радиационных тепловых потерь
РТ; уменьшение степеней черноты ?0 и es и уменьшение площади «теплой»
поверхности Fs. При разработке базовой конструкции использованы оба пути.
Степень черноты баллона ?0 резко уменьшена в результате нанесения на его
поверхность металлического покрытия. Покрытие может быть нанесено
химически или напылением в вакууме (серебро, алюминий и др.). Значение гв умень-
шается посредством обработки поверхности термостатируемого узла. Площадь
последней сведена к минимуму, определяемому размерами ПЭ и
технологичностью сборки РТ (Fs = 0,70· Ю-3 м2).
Количественно влияние теплоотражающих покрытий и температуры
окружающей среды на теплопередачу излучением показано на рис. 26.5.
Необходимые данные по степеням черноты содержатся в [26.70, 26.71]. Как видно из
рис. 26.5, использование серебряного покрытия примерно в 18 раз уменьшает
радиационные тепловые потери при —60 °С по сравнению с баллоном без
покрытия, алюминиевого — в 5,5 раз, никелевого—в 4,6 раза. Радиационные
тепловые потери Qe базовой конструкции при Г0=—60 °С и TS = +80°C
составляют: 73 мВт без теплоотражающего покрытия, 17 мВт при покрытии из
никеля, 13 мВт при покрытии из алюминия и 4 мВт при серебряном покрытии.
337

Рис. 26.5. Зависимости плотности
потока {результирующего излучения с
поверхности термостатируемого узла РТ
(¦при ?* = 0,14; Гв = 80°С)-от
температуры окружающей среды:
1 — стеклянный баллон без покрытия; 2—
покрытие из никеля; 3 — покрытие из
алюминия; 4 — покрытие из серебра
Применение серебра пока вряд ли оправдано, так как не дает заметного
выигрыша в общем энергопотреблении РТ B00...300 мВт) по сравнению с
алюминиевым покрытием.
Снижение энергопотребления на 60 мВт в результате алюминирования
баллона хорошо согласуется с экспериментальными данными. Как и следовало
ожидать, заметной разницы по энергопотреблению между РТ с посеребренными
и алюминированными баллонами не наблюдается.
Укажем, что без принятия специальных мер, рассмотренных выше, лучистые
тепловые потери в РТ могут быть весьма велики. Так, в {26.16] из-за
отсутствия теплоотражающего покрытия, большой поверхности термостатируемого
узла и сильного перегрева нагревателя при Т0 = —60 °С Qe = 1,9 Вт, что
составляет около 50 % весьма больших общих тепловых потерь данной
конструкции.
Теплопередача кондукцией. Тепловой поток через крепящие
термостатированный узел стойки держателя при перепаде температур AT=Ts—To
вычисляется по формуле [26.68]
Ql = NKFAT/l, B6.5)
где / и F — соответственно длина и площадь поперечного сечения стойки; N —
число стоек. Из B6.5) ясны пути уменьшения кондуктивных тепловых потерь
через элементы механического крепления: выполнение их из материалов с
возможно меньшей теплопроводностью, уменьшение их сечения и общего числа и
увеличение длины. При разработке базовой конструкции использованы все эти
пути. Крепящие стойки выполнены из ковара, имеющего низкую
теплопроводность A9 Вт/м*°С). Однако уменьшение сечения и числа стоек и увеличение их
длины противоречат механической прочности конструкции, что ограничивает
возможности уменьшения рассматриваемых тепловых потерь.
Без учета теплопередачи через распорные пружины при ??—140°С G,s =
— F0°C, 7o = —60 °С) расчетные значения кондуктивных тепловых потерь Qi
для двух различных по длине стоек держателя модификаций базовой
конструкции составляют 211 и 151 мВт '(шесть коваровых стоек диаметром 0,5 длиной
15 и 20 мм соответственно). Как видно, Qi~>Qm + Qe. Конструкторско-техноло-
гические меры по уменьшению От и Qe не снижают механической прочности.
Поэтому Qm и Qe удалось предельно уменьшить. В случае Qi это
противоречие, как уже отмечено, в принципе налицо. Жесткие механические воздействия,
на которые рассчитана базовая конструкция РТ, обусловили преобладание кон-
дуктивного теллоотвода через элементы крепления термостатированного узла
над другими видами тепловых потерь.
Полные тепловые потери и термическое сопротивление РТ. С учетом
полученных выше значений расчет полных тепловых потерь двух модификаций
базовой конструкции РТ. отличных по длине стоек держателя, при Т0=—60°С
и 7S = 80°C дает Q = 227 мВт и 166 мВт (покрытие из алюминия, р =
338

Рис. 26.6. Относительное изменение
термического сопротивления базовой
конструкции РТ в интервале
рабочих температур среды: Rtc =
= Rtc(T0)IRtcB5°C)
Рис. 26.7. Типовые изменения
мощности, потребляемой РТ (тепловых
потерь РТ), в интервале рабочих
температур:
/ — длинные стойки; 2 — короткие стойки . - ... ?
модификаций базовой конструкции РТ , ¦
= 10-4 мм рт. ст.). Отсюда расчетные значения полных термических
сопротивлений конструкции i?fc==617 °С/Вт и 845 °С/Вт соответственно.
Экспериментальные значения потребления РТ, как правило, на 15...20%
больше приведенных выше значений, рассчитанных по рассмотренным прос-
тым моделям. Некоторое превышение фактического потребления над расчетным
можно объяснить теплопередачей через распорные пружины, не учтенной при
расчете кондуктивных тепловых потерь. Кроме того, коэффициенты ? и ?>
определяющие теплопередачу, известны с точностью 10 ...20 %.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что полное
термическое сопротивление РТ несколько падает с ростом температуры окружающей
среды, т. е. теплопередача нелинейна. Типовое изменение полного термического
сопротивления базовой конструкции в интервале температур окружающей
среды относительно его значения при +25°С представлено на рис. 26.6.
Изменение Rtc с То лишь частично (в пределах ±2% от Ric в случае алюминирован-
ного баллона и ±5% при баллоне без покрытия) может быть объяснено
изменением термического сопротивления теплопередаче излучением. Основной
причиной, по-видимому, является изменение с температурой контактных термических
сопротивлений.
Для РТ падение Rtc с ростом Т0 отмечено также в [26.24]. Это явление
имеет место и у термостатов на базе сосуда Дьюара. Так, анализ
экспериментальных результатов, приведенных в [26.72], дает Rtc(—60°)/#??B0 °С) « 1,25.
Рост Rtc при понижении Т0 является положительным фактором. С одной
стороны, это несколько снижает энергопотребление при нижних рабочих
температурах, с другой — повышает точность термостатирования. Целенаправленное
использование этого явления открывает дополнительные возможности
стабилизации температуры и частоты [26.30, 26.73, 26.74].
Типовые экспериментальные характеристики по мощности, потребляемой
базовой конструкцией РТ в широком интервале температур среды, представлены
на рис. 26.7.
26.7. Выход РТ на режим термостатирования после включения
Характеристиками выхода РТ на режим термостатирования являются время
установления частоты после .включения и потребляемая в этот период
мощность. Время установления частоты существенно зависит от температуры окру-
339

жающей среды и требуемой точности установления частоты. Последняя
представляет собой отклонение частоты от ее установившегося значения,
определяемого через некоторое заданное время после включения. Время установления
частоты возрастает с повышением требуемой точности установления частоты
и понижением температуры среды.
Задача об установлении частоты РТ сложна и в настоящее время вряд ли
может быть достаточно точно решена. Причина этого в том, что'влияние
градиентов температуры на частоту ПЭ мало исследовано. Кроме того, решение
системы уравнений нестационарной теплопередачи для тел сложной
геометрической формы представляет значительные трудности. Последние еще более
возрастают при сильной зависимости сопротивления нагревателя от температуры
й напряжения, как это имеет место у позисторов.
Полученные оценки температурных перепадов в базовой конструкции
показывают, что в период разогрева между нагревателем и ПЭ возникают
значительные перепады, сосредоточенные на стойках кристаллодержателя, через
которые происходит основная теплопередача к ПЭ, и обусловленные
сравнительно большим термическим сопротивлением RtnK этих стоек (значение i?*HK в
различных модификациях базовой конструкции лежит в пределах 20 ...50°С/Вт).
При этом теплоемкость стоек кристаллодержателя @,005 ... 0,01 Дж/°С) весьма
мала по сравнению с теплоемкостью ПЭ (Ск). Так, у ПЭ среза АТ3 на
частоту 10 МГц, Ск^0,16 Дж/°С.
Так как стойки кристаллодержателя имеют значительное термическое
сопротивление при малой теплоемкости, аккумуляцию ими теплоты можно
отдельно не учитывать, а пространственным распределением температуры пренебречь.
Термическое сопротивление между нагревателем и ПЭ обусловливает
отставание разогрева ПЭ по отношению к разогреву нагревателя и тем самым
затягивает выход РТ на режим термостатирования.
Температурные перепады в других частях термостатируемого узла, как
показывают проведенные оценки, сравнительно малы. Тогда приближенно можно
считать, что в период разогрева нагреватель, термодатчик и теплораспредели-
тельная камера из колпачка (теплового экрана) и основания
кристаллодержателя с общей теплоемкостью Сн имеют одинаковую температуру ??, а ПЭ с
теплоемкостью Ск отделен от них термическим сопротивлением RtHK стоек
кристаллодержателя и, прогреваясь через это термическое сопротивление,
имеет отличную от Тп температуру Тк. С учетом изложенного приходим к
упрощенной динамической тепловой схеме РТ с сосредоточенными параметрами,
представленной на рис. 26Да [26.31].
Иногда для быстрой, но более грубой оценки времени разогрева неидеаль-
,костью тепловой связи нагревателя и ПЭ можно пренебречь. В этом
предположении весь термостатируемый узел разогревается как единое целое и при
i?iHK=0, TH = TK~T приходим к простейшей динамической тепловой схеме РТ,
показанной на рис. 26.8,6, где С = СЯ + СК — общая теплоемкость
термостатированного узла.
Можно выделить следующие основные пути сокращения времени
разогрева ПЭ с момента включения:
уменьшение теплоемкости термостатируемого узла, т. е. уменьшение масс и
удельных теплоемкостей термостатируемых элементов (в том числе массы ПЭ);
уменьшение термического сопротивления между нагревателем и ПЭ;
уменьшение тепловых потерь РТ в окружающую среду, т. е. увеличение
термического сопротивления термостатированный узел —среда;
увеличение мощности разогрева.
Рассмотрим особенности практической реализации указанных путей.
Первый путь очень эффективен, и реализация его ясна. В частности,
ускоряет разогрев и переход на более высокие частоты, где существенно уменьша-
Рис. 26.8. Динамические
тепловые схемы РТ:
а — с учетом теплового
сопротивления кристаллодержателя между
нагревателем и ПЭ; б —
простейшая, с идеальной тепловой сеязью
напревателя и ПЭ
340

егся масса ПЭ.. Однако в целом первый путь противоречит достижению
высокой температурной стабильности частоты РТ из-за роста градиентов
температуры в термостатируемом узле уже в установившемся режиме. -Поэтому
возможности первого пути ограничены, и при разработке РТ в зависимости от
конкретных требований принимается то или иное компромиссное решение.
Второй путь сам по себе в пределе, т. е. при Rt1IK = 0, сокращает время
разогрева на 35... 40 с [26.31]. Предельной реализацией совокупности первых
двух путей являются РТ с пленочным нагревателем на ПЭ, отсюда и их
минимальное время выхода ня режим.
Реализация третьего пути — уменьшения тепловых потерь РТ —
рассмотрена выше.
Четвертый путь — увеличение мощности разогрева — в традиционных
термостатах часто реализуется разделением систем рабочего (установившегося)
и форсированного подогревов [26.2]. При этом в термостат для форсажа
разогрева вводятся отдельный низкоомный нагреватель и соответственно схема
управления мощностью форсированного подогрева, которая обычно в 5... 10 раз
больше установившегося энергопотребления. Для РТ такой подход нежелателен
и ведет к серьезным конструкторско-технологическим усложнениям.
Привлекательно обеспечение установившегося режима и разогрева после включения
одними и теми же нагревателем, датчиком температуры и схемой управления.
Для обеспечения автофорсажа разогрева эффективен нагреватель,
сопротивление которого при пониженных температурах мало, а с приближением к
рабочей температуре статирования существенно возрастает. Именно такую
температурную характеристику сопротивления (ТХС) имеет позисторный
нагреватель, что является его достоинством. Качественно аналогичный, хотя и менее
выраженный, эффект дальнейшего сокращения времени разогрева ПЭ в РТ с
пленочным нагревателем достигается выполнением пленочного нагревателя из
материала с положительным ТКС, что позволяет совершенствовать такие
устройства.
В целом возможности источников питания РЭА в случае РТ практически
мало сдерживают форсаж разогрева. Более серьезным ограничением для
форсажа разогрева являются возникающие температурно-динамические выбеги
частоты, делающие дальнейшее ускорение разогрева бессмысленным, а иногда и
вредным с точки зрения времени установления частоты.
Иногда при согласовании требований к РТ для РЭА с аккумуляторным
питанием возникает вопрос о дополнительном расходовании энергоресурса в
период выхода на режим. Сам по себе форсаж мощности разогрева на
расходе энергоресурса не отражается. Дополнительная энергия Э, расходуемая
в период выхода на режим, требуется для разогрева термостатируемого узла
от температуры среды Т0 до температуры статирования Ts и может быть
легко оценена по формуле Э = С (Ts—Т0), где С — суммарная теплоемкость
термостатируемого узла. Значение С у РТ весьма мало. Даже в базовой
конструкции, где имеется металлическая теплораспределительная камера, для
частот порядка нескольких мегагерц С~1,5 Дж/°С. Тогда в наиболее тяжелом
случае (Т0 = — 60 °С, Г8=+80°С) получаем 3=210 Дж. Такой расход
энергии эквивалентен примерно 10 мин дополнительной работы в. стационарном
режиме, что обычно несущественно.
На деле вопрос об установлении частоты РТ существенно сложнее, чем
задача ускорения разогрева. Из-за возникающих при разогреве значительных
переменных градиентов температуры в ПЭ изменения частоты могут резко, даже
качественно, отличаться от описываемых ТЧХ.
Ускорение разогрева увеличивает возникающие в ПЭ градиенты
температуры. При этом в ПЭ срезов AT и БТ имеют место характерные динамические
«выбеги» частоты, заметно затягивающие процесс ее установления. Вполне
реальна ситуация, когда динамические «выбеги» частоты сводят на нет попытки
сокращения времени установления за счет ускорения разогрева. Более того,
начиная с некоторого значения скорости разогрева, дальнейшее ее увеличение
может не только не ускорять, но и, напротив, замедлять установление частоты.
Для резкого сокращения времени установления частоты РТ необходимо,
чтобы характеристики ПЭ удовлетворяли следующим двум условиям:
34!

1. Малая величина температурно-динамических «выбегов» частоты из-зй
возникающих градиентов температуры. Это позволяет в полной мере использовать
прямые возможности сокращения времени установления частоты за счет
ускорения разогрева;
2. При выполнении первого условия очень важно иметь возможно более
пологую ТЧХ вблизи температуры статирования. В конечном счете в РТ важно
не время установления температуры статирования, а время установления
частоты. Выполнение этого условия позволяет существенно сокращать время
выхода РТ на режим по частоте при той же динамике разогрева: частота
устанавливается с нужной точностью при недогреве ПЭ до температуры
статирования.
Ясно, что оба приведенных условия физически взаимосвязаны. Если в
широкой области температур ТКЧ близок к нулю, то вполне естественна и малая
чувствительность частоты такого ПЭ к неравномерному его разогреву. Обоим
условиям в высокой степени удовлетворяют двухповоротные срезы VI кварца.
Поясним сказанное примером. ТЧХ вблизи рабочего экстремума Тэ среза СЦ
описывается соотношением Af/f = —2·10~9 (?—ТэJ. Пусть динамические
«выбеги» частоты отсутствуют. Тогда при недогреве до Тэ на 7 °С частота
устанавливается с точностью 10~7. В результате использования среза СЦ при
неизменных конструкции РТ и схеме терморегулирования достигается сокращение
времени установления частоты с точностями (.0,5 ... 1) ·10~7 примерно в 3 ... 3,5
раза по сравнению со срезом AT.
В заключение необходимо отметить, что время установления частоты с
точностью Ю-7 и более высокой в значительной мере зависит не только от
динамики разогрева и температурно-частотных свойств ПЭ, но и от
релаксации возникающих термомеханических напряжений в области контакта ПЭ со
стойками кристаллодержателя,
26.8. Нестабильность частоты РТ от внешних воздействий
и долговременная нестабильность частоты
Нестабильность частоты РТ от воздействия внешних дестабилизирующих
факторов (механических, климатических, радиации) и долговременная
нестабильность состоят из двух частей:
нестабильности частоты собственно КР, не связанной с влиянием
эксплуатационных факторов на термостатнрующую систему. В отношении этой части
нестабильности справедливы результаты, полученные для'-'-соответствующих
прецизионных КР традиционного исполнения;
нестабильности частоты, обусловленной изменением температуры
статирования ПЭ в результате воздействия соответствующих факторов на ТСС, главным
образом на датчик температуры.
Рассмотрим подробней вторую составляющую нестабильности частоты РТ.
Она и сама по себе — отрицательный факт. Но, кроме того, опасна еще тем,
что если температура статирования внутри РТ заметно «уйдет» от экстремума
ТЧХ ПЭ, то при той же статической ошибке терморегулятора может резко
ухудшиться и нестабильность частоты при изменениях температуры среды.
Искомое изменение температуры статирования ATS в практически наиболее
важном случае использования терморезистивного датчика температуры
определяется по формуле
??8 - 6Ra/aR ,
где 6R% — относительное изменение сопротивления датчика от воздействия
соответствующего эксплуатационного фактора; aR — ТКС датчика.
¦Именно отношение 6RA/aR (а не сама нестабильность сопротивления блд)
по существу является одной из важнейших характеристик терморезистора как
датчика температуры для термостатирующих устройств. Стремление к высокой
стабильности температуры статирования, т. е. к минимуму А78 = б^д/ая, в не*·
малой мере определяет выбор типа датчика в РТ.
342

26.9, Влияние внешних факторов на долговременную
нестабильность частоты
Ввиду важности для потребителей РТ данный вопрос заслуживает
отдельного рассмотрения. Во всем интервале рабочих температур окружающей
среды ДНЧ РТ практически одинакова, поскольку рабочие температуры ПЭ и
термодатчика постоянны, особенно у прецизионных РТ с терморегулятором.
При повышенной температуре среды нагреватель РТ работает в режиме
минимальной мощности. По этим причинам устоявшийся подход к режиму
долговременных испытаний КР на надежность (при повышенной рабочей
температуре среды) в случае РТ теряет смысл. Вполне обоснована и целесообразна
проверка ДНЧ в рабочем режиме РТ при НКУ.
Следует иметь в виду, что изменение температуры среды может искажать
результаты контроля ДНЧ. Особенно это заметно для суточной нестабильности
частоты, для которой у прецизионных РТ могут быть установлены нормы
порядка 10~J. В этом случае необходим контроль суточной нестабильности при
фиксированной окружающей температуре.
У прецизионных РТ с высокой точностью поддержания температуры
результаты по ДНЧ на готовых изделиях существенно зависят от трех временных
факторов:
предшествующей паузы, т. е, времени пребывания в выключенном
состоянии перед, включением;
времени предварительной наработки, предшествующей началу отсчета
ДНЧ, т. е. началу основного штатного режима эксплуатации (эту
предварительную наработку часто называют прогоном);
временного режима эксплуатации — соотношения времени включенного
состояния ко времени выключенного состояния в режиме работы с
периодическими выключениями.
Для того чтобы РТ «забыл предысторию», т. е. ранее установившийся
режим работы, необходимо определенное время пребывать в выключенном
состоянии. Если пауза достаточно коротка, то ДНЧ после следующего включения,
особенно на начальном этапе работы, будет лучше, чем при долгой паузе. Для
«забывания предыстории» РТ необходима пауза не менее 1 ... 2 сут. Именно
после такой паузы имеет место наибольшая ДНЧ. Изготовители РТ, учитывая
это, предусматривают выдержку РТ в выключенном состоянии перед контролем
ДНЧ.
При непрерывном режиме работы у прецизионных РТ основная ДНЧ
приходится на начальный период работы. Поэтому предварительная наработка
улучшает ДНЧ, исключая при эксплуатации участок наибольших изменений
частоты. Потребители, у которых РТ работают в непрерывном режиме, должны
по возможности предусматривать предварительный прогон.
Для надежных гарантий и прогноза ДНЧ изготовители прецизионных РТ
вводят в технологический процесс сплошной контроль ее в течение периода
работы порядка 5... 15 сут. Установленные на этот период критерии годности
обеспечивают выполнение гарантий по ДНЧ.
Рассмотрим третий фактор. Определяющим эксплуатационным фактором
ДНЧ прецизионных КР, как известно, является температура ПЭ. Во многих
видах подвижной РЭА РТ работают в режиме с периодическими включениями —
выключениями, например несколько часов работы в сутки с перерывами на
1 ... 3 сут. При этом ДНЧ оказывается меньше, чем в непрерывном режиме,
-поскольку время пребывания ПЭ при температуре статирования существенно
уменьшается. При эксплуатации в режиме с выключениями к прецизионным
РТ предъявляется отдельное требование по воспроизводимости частоты от
включения к включению. Обычно проверка воспроизводимости частоты
производится в нормальных условиях, например, следующим образом: включение на
1 ч, затем выключение на 4 ч и снова включение на 1 ч, причем частота
контролируется в конце каждого часового цикла работы. При этом РТ 'из
контактного гнезда эквивалента генератора не извлекается.
343

Потребители РТ должны учитывать рассмотренные факторы как при
эксплуатации РТ, так и при выдаче технического задания на разработку. В
частности, следует предусматривать испытания по контролю ДНЧ в режиме,
максимально приближенном к наиболее типичному режиму эксплуатации.
26.10. Габариты РТ
В настоящее время основные промышленные типы отечественных РТ
выпускаются в стеклянных корпусах типов Д и С диа1метро?м соответственно 22,5
и 19 мм, а также в корпусе типа Э диаметром 10,1'б мм (РТ с пленочным
нагревателем и термодатчшшм непосредственно на Т1Э). Габариты РТ в
основном определяются: а) размерами ПЭ, а тем самым — рабочей частотой и
требованиями к ее стабильности; б) выбраеной термостатарующей системой
т. е. требованиями по времени установления частоты, ее температурной,
кратковременной и режимнонй стабильности; в) требованиями по допустимому
энергопотреблению.
Стремление к уменьшению габаритов соответствует тенденции к переходу
в область более высоких частот, где размеры ПЭ меньше. Если на частотах
2 ... 10 МТц используемые круглые ПЭ обычно имеют диаметр 11.,. 14 мм, то
на частотах 45... 70 МГц диаметр ПЭ 6... 8 мм. Это позволяет реализовать
базовую конструкцию в баллоне диаметром 14 мм с уменьшением объема РТ
примерно в 2,5 раза. Однако в этом случае может быть существенное, примерно
на порядок, ухудшение эксплуатационной стабильности частоты по сравнению
со случаем использования частот 5... 10 МГц.
При заданном энергопотреблении минимизация габаритов ТСС достигается
при использовании пленочного нагревателя и термодатчика непосредственно на
ПЭ, без каких-либо теплораспределительных элементов. Однако возникающие
при этом в ПЭ градиенты температуры ухудшают стабильность частоты РТ по
сравнению с вариантом установки ПЭ внутри теплораспределительной камеры.
При сравнительно узком интервале рабочих температур и требованиях к
температурной стабильности частоты порядка 10~7 миниатюризация РТ путем
размещения на ПЭ пленочного нагревателя очень эффективна, если нет жестких
требований по кратковременной и режимной стабильности частоты.
Одним из путей уменьшения тепловых потерь РТ является удлинение
стоек держателя, крепящих термостатированный узел в корпусе РТ (см. § 26.6).
Поэтому миниатюризация РТ в общем противоречит снижению
энергопотребления. Однако есть резервы, заключающиеся в более сложной форме держателя
и использовании для него менее теплопроводных материалов.
Для РТ, предназначенных для бортовой РЭА, миниатюризация может иметь
смысл даже ценой некоторого роста энергопотребления. Совершенно иная
ситуация в случае РТ для носимой аппаратуры и аппаратуры автономных средств
с батарейным питанием. Здесь целесообразно предельное уменьшение
энергопотребления РТ даже ценой некоторого увеличения его размеров.
Миниатюризация РТ требует весьма осторожного подхода, особенно при высоких
требованиях к стабильности частоты. При согласовании технического задания
следует в каждом конкретном случае оценивать возможность сокращения
размеров РТ, учитывая возможные ухудшения других характеристик, а также слож-
ности изготовления.
26.11. Стойкость РТ к механическим воздействиям
В настоящее время в уже разработанных промышленных типах кварцевые
РТ, построенных на рассмотренной базовой конструкции, обеспечена стойкость
к весьма жестким механическим воздействиям: длительные вибрации в
диапазоне 1 ... 2000 Гц с амплитудой ускорения I0g, кратковременные вибрации в
диапазоне до 2500... 5000 Гц с амплитудой ускорения 15... 20^, многократные
удары с пиковым ускорением 100... 150^, одиночные удары с пиковым
ускорением 500^. При этом типовые изменения частоты прецизионных РТ не
превышают ± B... 3) · Ю-8 от каждого из указанных воздействий и ±5·10_? от всей
344

их совокупности с учетом воздействия термоциклов смены температур ере*-
ды —60 ... +70 (+85) °С.
Указанные выше воздействия удовлетворяют самым различным применении*-
ям РТ в практически всех видах РЭА, где необходима высокая стабильность
частоты. В этой части явное преимущество РТ перед традиционным наружным
термостатированием резонаторов налицо. Дальнейшее ужесточение требований'1
по допустимым механическим воздействиям в общем плане вряд ли
оправдано, тем более, что повышение стойкости вступает в противоречие с высокой
стабильностью частоты и малым энергопотреблением. Держатель, крепящий'
термостатированный узел в корпусе РТ, одновременно является основным
путем теплоотвода. При этом простые конструкторско-технологические меры по
повышению жесткости и прочности держателя (утолщение и укорочение его*
стоек) ведут к росту кондуктивных тепловых потерь, определяющих
энергопотребление.
В отдельных случаях для РТ вопрос о стойкости к более жестким
механическим воздействиям может быть решен для конкретной совокупности требо--
ваний.
26.12. Основные элементы конструкций и особенности
производства FT
Конструкция РТ содержит ПЭ и элементы термостатирующей систем»*·
смонтированные в держателе и снабженные отводами. Держатель, как правило,,
крепится к выводам в основании корпуса. Вся конструкция выполняется в
герметизированном, обычно вакуумированном, корпусе. Для обеспечения
требуемого вакуума в РТ часто используют газопоглотители (геттеры). Иногда в РТ,
кроме ПЭ, помещают и другие функциональные элементы, нуждающиеся в
термостатировании, например варикап электронного корректора частоты КГ,
Основные общие требования к элементам, устанавливаемым в РТ, — вакуумгиги-
еничность при длительной эксплуатации при давлении 10~5... Ю-6 мм рт. ст. и
температуре до 85... 90 °С, малые размеры, технологичность монтажа, стойкость
к различным воздействиям, обусловленным технологией.
Пьезоэлементы. РТ не имеют принципиальных отличий от ПЭ прецизионных
резонаторов. Поскольку термостатирование в РТ подогревное, то рабочий
экстремум ТЧХ должен быть, как минимум, на 2... 3 °С выше верхней рабочей
температуры среды.
Наиболее широко используют ПЭ среза AT, возбуждаемые па основной
частоте или на обертонах. В основном применяют круглые ПЭ,
устанавливаемые перпендикулярно оси баллона. В миниатюрных РТ с пленочным
нагревателем в корпусе типа Э используют прямоугольные ПЭ, устанавливаемые вдоль .
оси баллона.
В последнее время для прецизионных РТ с быстрым выходом на режим
используют ПЭ двухповоротных срезов семейства VI: СЦ, ТД и др. (см. разд.
16 и 17). Кроме существенного сокращения времени установления частоты и
повышения температурной стабильности частоты эти срезы позволяют также
повысить кратковременную стабильность частоты генератора. Там, где
указанные достоинства актуальны, перспективность срезов СЦ и ТД неоспорима,
несмотря на технологические трудности ориентировки по сравнению со срезами
AT и БТ. Типовые ТЧХ срезов AT, БТ и СЦ вблизи рабочего экстремума
приведены на рис. 26,9. Количественно изменения частоты при отклонениях
температуры ПЭ от температуры экстремума его ТЧХ (Тэ) могут быть оценены
соотношением ?'/7/=?2(?—/аJ, гяе для срезов AT, БТ и СЦ коэффициент а2,
0С~2, равен 2-10~s, —5- 10~s и —2·10~9 соответственно.
Нет каких-либо ограничений для использования ПЭ других видов
колебаний, например крутильных колебаний на частоты 100... 800 кГц и колебаний
косого сдвига АП на частоты 400... 1000 кГц.
Термостатирующая система. Обычно ТСС состоит из нагревателя, датчика
температуры, теплораспределительных элементов и теплоизоляции. Теплораспре-
делительные элементы обеспечивают равномерный прогрев ПЭ; Устройство
управления мощностью подогрева (терморегулятор, в который включены датчик
345

Рис. 26.9. Типовые изменения часто-
ты термостатируемых кварцевых
пьезоэлементов различных срезов
при небольших отклонениях
рабочей температуры от температуры
экстремума ТЧХ (Тэ) в условиях
равномерного их разогрева
температуры и нагреватель прецизионного РТ) также является частью ТСС. Но
.обычно терморегулятор размещается снаружи, т. е. вне корпуса РТ, и в
качестве одного из узлов входит в состав КГ. Нагреватель, ПЭ, датчик температуры
*и теплораспределительные элементы образуют термостатируемый узел РТ. В
? яде случаев в состав термостатируемого узла входят другие функциональные
элементы, например варикап.
Построение ТСС определяет важнейшие параметры РТ. Отечественная
промышленность выпускает два принципиально различных по построению ТСС
вида РТ:
с позисторным нагревателем на основании металлической теплораспредели-
тельной камеры, внутри которой расположен ПЭ;
с пленочным нагревателем, нанесенным непосредственно на ПЭ.
Теплоизоляция термостатируемого узла от окружающей среды в обоих
видах РТ в основном обеспечивается вакуумированием корпуса, а также
повышенным термическим сопротивлением несущих стоек держателя.
Достоинством позисторного нагревателя, обусловленным его большим
положительным ТКС, является автотермостабилизация, т. е. саморегулирование
.своей температуры при изменениях температуры окружающей термостат среды
или напряжения питания и условий теплоотдачи. Отдельного датчика
температуры саморегулирующиеся РТ не содержат. Кроме того, позисторный
нагреватель при нормальных и пониженных температурах имеет сопротивление много
меньше, чем при температурах статирования. Это обеспечивает автофорсаж
разогрева после включения без отдельного форсажного нагревателя и
соответствующей схемы управления. Позисторный нагреватель дает возможность
обеспечить температурную нестабильность частоты @,3 ... 1) ¦ 10~6 наиболее простым
тпутем.
Прецизионные РТ с позисторным нагревателем работают с внешним
терморегулятором, их ТНЧ составляет A ... 5) -Ю-8. В ранних модификациях
таких РТ датчиком температуры для терморегулятора служил остеклованный бу-
хинковый микротерморезистор СТЗ-25. Затем как более технологичные и
одновременно более точные стали использоваться позисторные датчики температуры.
В качестве нагревателей и датчиков температуры сейчас используются позис-
торы одного и того же типа СТ6-1Б-1, при разработке которых специфика РТ
была в значительной мере учтена. О выпуске РТ с саморегулирующимся
позисторным "^грезате-лем сооСлцшш и зарубежные фирмы [26.59—26.61].
Для РТ с пленочным нагревателем на ПЭ характерны малые габариты и
время установления частоты. Нагреватель из нихрома наносится на ПЭ методом
термовакуумного напыления. Датчик температуры, как и нагреватель, в так?1Х
'РТ расположен непосредственно на ПЭ. В качестве датчика используются бу-
синковые микротерморезисторы, в частности CTI-18, приклеиваемые к ПЭ, или
-тонкопленочные полупроводниковые терморезисторы, наносимые на ПЭ мето-
346

дом магнетронного ВЧ распыления [26.50]. Достоинства этих РТ снижаются*
из-за отсутствия в ТСС теплораспределительных элементов, и как следствие"
этого — низкая ТНЧ (порядка Ю-7) в узком интервале температур.
Держатель служит для крепления термостатируемого узла в корпусе РТ
и представляет собой каркас из нескольких стоек, приваренных к выводам
основания. Для повышения жесткости крепления термостатируемого узла каркас
обычно снабжают промежуточным основанием, дополнительно фиксирующим его'
положение в корпусе. Роль держателя в РТ важна не только с точки зрения*
стойкости к механическим воздействиям, как это имеет место для обычных КР.
В РТ держатель непосредственно соединен с термостатируемым узлом и кор--
пусом. Поэтому через держатель происходит основная теплопередача от
термостатируемого узла в окружающую среду, и именно держатель определяет
тепловые потери РТ, если вопросы вакуумирования корпуса решены.
Требования к конструкции держателя противоречивы. Для обеспечения
стойкости к жестким механическим воздействиям держатель должен быть
жестко фиксирован в корпусе, т. е. состоять из толстых и коротких стоек с
распорками в корпусе. Снижение тепловых потерь, наоборот, требует
использования возможно более тонких и длинных стоек. Поэтому стойки держателя
выполняют из сплавов с возможно меньшей теплопроводностью: нихрома A4 Вт/
м-°С), ковара A9 Вт/м-°С), манганина или Константина B2 ... 23 Вт/м-°С).
Конструирование держателя является серьезной проблемой при разработке
РТ, решение которой усложняется, если одновременно предъявляются
требования по минимальной потребляемой мощности и стойкости к жестким
механическим воздействиям.
Газопоглотители. Для обеспечения требуемой степени разрежения в РТ (не-
хуже Ю-4.,. Ю-5 мм рт. ст.) целесообразно использование газопоглотителя
(геттера). Впервые газопоглотитель был применен в РТ с биметаллическим
терморегулятором [26.12, 26.13]. В них устанавливался распыляемый бариевый-
геттер, широко используемый в электровакуумных приборах. Однако
распыляемым геттерам присущ ряд недостатков, существенных с точки зрения
применения их в прецизионных резонаторах (появление посторонних частиц з объеме'
резонатора, малая сорбционная емкость, непостоянство и недостаточная
воспроизводимость сорбционных характеристик, увеличение габаритов резонатора из-за-
сложности защиты конструкции от высоких температур распыления).
От указанных недостатков в значительной мере свободны и весьма
эффективны для РТ нераспыляемые газопоглотители [26.69, 26.75], активирование
которых осуществляют пропусканием тока через подогреватель геттера. Широкое
применение в отечественных РТ получили нераспыляемые малогабаритные
геттеры типа ПТ-1 (титановые), а затем сменившие их циалевые типа ПЦ-1М,
удобные для крепления на выводах основания корпуса [26.36]. Позднее
нераспыляемые газопоглотители начали применять в разрабатываемых РТ и
зарубежные фирмы [26.57, 26.58].
Отводы. Электромонтажные отводы термостатируемого узла выполняют
тонкими проводниками (диаметром около 0,1 мм) с возможно большим
термическим сопротивлением. Эффективно использование нихромовой или
существенно лучше паяющейся константановой проволоки. Однако часто из
соображений повышения технологичности разработчики РТ идут на использование
никелевой проволоки с заметно большей теплопроводностью F6 Вт/м-°С). При
диаметре ОД мм погонное термическое сопротивление проволок для отводов
составляет: никелевой 1930 °С/Вт-мм, константановой 5650 °С/Вт-мм, нихромовой
9100°С/Вт-мм.
Роль отводов, соединяющих термостатируемый узел с выводами корпуса
РТ, как правило, выполняют стойки держателя.
Корпуса. В настоящее время отечественные РТ выпускают в стеклянных,
корпусах от электровакуумных приборов. Соединение баллона с основанием
осуществляется газопламенной сваркой, хотя возможен и актуален переход на иные
технологии. В основном для РТ базовой конструкции используются 9-штырь-
ковые корпуса пальчиковой серии (типа Д) диаметром 22,5 мм. РТ с
пленочным нагревателем на ПЭ выпускают в корпусах миниатюрной серии (типа Э)
диаметром 10,16 мм.
34Г

Зарубежные фирмы на базе саморегулирующегося позисторного
нагревателя выпускают миниатюрные РТ, хорошо компонуемые, с температурной
нестабильностью частоты до ± B,5... 3) -Ю-6, выполняемые в металлических
корпусах.— транзисторном корпусе типа ??-8 [26.60] — ив модифицированных
плоских корпусах типов HC-6/U [26.59] и HC-25/U [26.61]. В СССР отдельные
предприятия выпускают подобные саморегулирующиеся РТ в миниатюрных
металлических корпусах от транзисторов и микросхем.
По конструктивно-технологическим соображениям РТ в корпусах типа Д
выпускают с жесткими выводами. Монтаж РТ в аппаратуре осуществляется
пайкой, для чего изготовители облуживают их выводы и дают в ТУ указания
по режимам пайки.
Корпуса типа Д из-за большого диаметра в ряде случаев неудобны для
компоновки в МЭА. С целью уменьшения этого недостатка уже реализованы
РТ базовой конструлции в меньшем .7-штырьковом корпусе типа С диаметром
19 мм (с жесткими выводами под пайку). Для достаточно миниатюрных ПЭ
шг. высокие частоты реально создание базовой конструкции в стеклянных
баллонах диаметром 14 мм.
Особенности производства. Для производства РТ характерны общие
особенности производства прецизионных КР, рассмотренные в разд. 6 и 17. Однако
.имеются и специфические особенности, обусловленные существенно более
сложным, чем у обычных КР, построением и функционированием РТ. При этом
выделяются:
а) наличие специально подготовленного для РТ персонала ИТР и рабочих
выпускных цехов, четко понимающих построение, действие РТ и влияние
основных конструкторско-технологических факторов на их выходные параметры;
б) повышенная точность частотных измерений (порядка 10~9... 10~10 и
лучше для прецизионных РТ, порядка 10~8 для РТ широкого применения);
в) существенно большие, чем у обычных ПР, номенклатура контролируемых
электрических параметров, сложность, длительность и трудоемкость измерений;
г) специфичные для РТ методы измерений электрических параметров,
отличные от принятых в производстве традиционных КР, что обусловлено
работой системы внутреннего термостатирования;
д) наличие специализированного нестандартного контрольно-измерительного
оборудования, его роль в производстве, особое значение автоматизации
измерений и (или) групповых методов контроля, внедрения (там, где это
обосновано) выборочного контроля;
е) специфика технологии, связанная с наличием встроенной термостатиру-
¦ющей системы, — монтаж (или напыление на ПЭ) нагревателей и датчиков
температуры, контроль их электрических параметров, значительно более тщательное
обезгаживание конструкции, операции сборки термостатируемого узла,
нанесения теплоотражающего покрытия на баллон, обилие различных технологических
измерений.
Сказанное обусловливает широкое использование в производстве РТ
специализированного нестандартного оборудования и оснастки.
С повышением требований к стабильности частоты РТ соответственно
ужесточаются нормы на нестабильность частоты, вносимую при испытаниях РТ
эквивалентом генератора. Так, при нормах на температурную и суточную
нестабильность частоты РТ соответственно 10~8 и Ю-9, нестабильность, вносимая эк-
валентом генератора, должна быть не более 10~9 и 10~10. На таких уровнях
трудно не только обеспечить требуемую стабильность эквивалента, но и
подтвердить ее при метрологической аттестации.
По этой и ряду других причин разработка и серийный выпуск
соответствующих РТ, генераторов и фильтров на их базе в пределах одного
предприятия объективно имеет серьезные технико-экономические преимущества. Опыт
отечественных и зарубежных фирм, разрабатывающих и выпускающих как
прецизионные КР, так и КГ и КФ, свидетельствует в пользу такого подхода.
Можно отметить, что в ряде случаев зарубежные фирмы прецизионные КР
высших стабильностей как самостоятельную продукцию не выпускают, предлагая
лишь законченные генераторы на их базе. О достоинствах совмещения
производства прецизионных КР и опорных генераторов на одном предприятии
говорит и уникальный опыт массового производства отечественного генератора «Ги-
348

ацинт-М» [26.46], где целый ряд сложных и точных частотных измерений
отдельно на резонаторе не производится, а производится в составе опорного
генератора.
26.13. Виды промышленных РТ
В настоящее время в СССР получили практическое применение три вида
РТ, существенно отличающиеся по своему конструктивно-технологическому
исполнению и техническим характеристикам.
1. РТ с позисторным нагревателем и вакуумной теплоизоляцией термоста-
тируемого узла, в стеклянных пальчиковых корпусах типов Д и С. Они
унифицированы и поставляются широкому кругу потребителей. Освоенный диапазон
частот 2 ... 10 МГц.
2. Миниатюрные РТ с позисторным нагревателем и невакуумной
(полимерной) теплоизоляцией термостатируемого узла. В таких РТ позистор-нагреватель
и ПЭ заключены в миниатюрные металлические корпуса, в частности, от
транзисторов и микросхем. Снаружи металлического корпуса имеется слой
теплоизоляции, например, из пенопласта. Эти РТ выпускаются в ограниченном
количестве предприятиями — преимущественно для собственных нужд. Диапазон частот
400 ????...?\82 МГц. Стабильность частоты порядка Ю-6.
3. Вакуумные РТ с пленочным нагревателем непосредственно на ПЭ,
выполняемые в миниатюрных стеклянных корпусах типа Э. Эти РТ
изготовляются преимущественно на частоту 10 МГц.
Справочные сведения о параметрах промышленных типов РТ приведены в
§ 26.22 *.
26.14. Характеристики позисторов как нагревателей и датчиков
температуры РТ
Для понимания работы РТ с позисторными нагревателями и
термодатчиками и эффективного их применения потребителям необходимо четко
представлять основные характеристики используемых позисторов.
Позисторы — полупроводниковые терморезисторы (ТР) с характерной
рабочей зоной большого положительного ТКС, находящейся в области развитого
сегнето-параэлектрического фазового перехода [26.76]. Наибольшего значения
ТКС позисторов достигает в параэлектрической фазе, т. е. выше точки Кюри.
Основой позисторов является керамика титаната бария, легированного
соответствующими элементами для придания полупроводниковых свойств. Так,
широко используемые в качестве нагревателей и термодатчиков позисторы серии СТ6
изготовляются на основе полупроводниковых твердых растворов системы
(Ва, Sr) (Ti, Sin) Оз.
В настоящее время в РТ в качестве нагревателей и датчиков температуры
используют специально разработанные позисторы типа СТ6-1Б-1 [26.77, 26.78],
представляющие собой диски диаметром 5 мм и толщиной 1 мм с контактными
поверхностями по торцам, без защитного покрытия и выводов. Приведенные
ниже характеристики относятся именно к позисторам СТ6-1Б-1.
Температурно-варисторные характеристики сопротивления и ТКС.
Используемые в РТ позисторы сочетают свойства терморезистора и варистора.
Сопротивление позистора R зависит как от температуры 7\ так и величины
приложенного напряжения С/, являясь, таким образом, функцией двух
аргументов: R=R(T, U). Типичные изменения сопротивления позистора с
температурой при напряжениях 1...20 В показаны на рис. 26.10. Здесь и далее ? —
температура самого позистора, а не окружающей среды. В интервале темпера-
* Разработаны и освоены в производстве РТ, в которых в качестве
нагревателей использованы мощные транзисторы. Как отдельные компоненты они
на рынке не появилась, однако на их основе выпускаются компактные, мало-
потребляющие прецизионные КГ. Характеристики этих КГ приведены в разд.
25. — Прим. ред.
34$

тур —60...+100°С <на ТХС позистора
можно выделить следующие
характерные участии 126.33]:
1. Участок от —60 до + Г0°С ха-
•растеризуется падением сопротивления
и абсолютной величины ТКС с ростом
температуры;
2. Участок от +10 до + B5...30)°С
практически постоянного 'сопротивления,
которое минимально для данного эк-
з е мп ля ? а поз и ? тор а;
3. Участок от + B5 ... 30) до + F5 ...
... 70)°С быстрого роста ТКС с
повышением температуры; ТКС положителен;
4., Участок от + F5... 70) до
+ 100°С наиболее резкого роста
сопротивления с температурой; ТКС
максимален и практически не зависит от
гРис. 26.10. Зависимости, сопротивле- темпеРа;тУРы·
ния позистора СТ6-1Б-1 от его На участках 1 и 2 варисторный эф-
температуры при напряжении 1 В фект относительно слаб и практически
A); 10 В B); 20 В C) не зависит от температуры (в
координатах \g R—? ТХС, соответствующие раз-
гНым напряжениям, параллельны друг другу). На участке 3 варисторный
эффект резко усиливается с ростом температуры. Около +70 °С завершается
переход из сегнетоэлектрической фазы в параэлектрическую, и на участке 4 ТКС
и варисторный эффект максимальны. На участке 4 позисторы как
саморегулирующиеся нагреватели и датчики температуры наиболее эффективны. Малое
сопротивление на участках 1, 2 и в начале участка 3 обеспечивает автофорсаж
разогрева после включения питания. Обобщенное аналитическое описание тем-
пературно-варисторных характеристик позистороз дано в [26.27, 26.28, 26.33].
Для практического использования позисторов важно знать значения ТКС
(а) и варисторные характеристики сопротивления при различных температурах;
.соответствующие типовые зависимости приведены на рис. 26.11 и 26.12. Техни-
Рис. 26.11. Зависимости ТКС позистора Рис. 26.12. Зависимости относи-
СТ6-1Б-1 от его температуры при напря- тельных изменений сопротивлений
жении 1 В (/); 5 В B); 10 В {3); 15 В позисторов СТ6-1Б-1 от при-
D)\ 20 В E) ложенного напряжения — ваоис-
торные характеристики: при
температуре позистора —60... + 25 °С
(/); +70 °С B); +80 °С C)
: 350

ческие условия на позисторы [26.78] рассматривают лишь их «безваристорныег
характеристики, снимаемые при весьма малом напряжении. Однако неучет ва-
ристорного эффекта ведет к серьезным ошибкам как в величине ТКС, так и
сопротивления в рабочей области. Варисторный эффект заметно уменьшает
сопротивление и ТКС на участках 3 и 4.
Позисторам присущ большой разброс температурных характеристик
сопротивления (ТХС). В нормальных условиях этот разброс четырехкратный и
нормирован в технических условиях [26.78] —сопротивление при +25 °С, т. е.
минимальное для данного позистора, лежит в пределах 100... 400 Ом (без учета
варисторного эффекта). Разброс величины ТКС приводит к значительному
увеличению разброса сопротивления при повышенных температурах. Так, из-за
разброса ТКС на 3-м и 4-м участках отношение #G6°, 10В)//?B0°, 10В)
лежит в пределах 15... 43 при типовых значениях 25... 27. Разброс сопротивления
при 72°С и 13 В, т. е. ЯG2°, 13В), уже 12-кратный (от 0,5 до 6 кОм), хотя
примерно 90% элементов укладывается в 5-кратный разброс (от 0,8 до 4 кОм).
Максимальное значение ТКС при ?/=10 В имеет разброс в пределах 15...
...20%/°С.
К сожалению, действующие ТУ не только не учитывают варисторный
эффект, но и не нормируют разброс ТХС и ТКС в основной рабочей области-
Разработчики и изготовители РТ, варьируя сопротивлениями конкретных
устанавливаемых позисторов и их числом, реализуют нагреватели с
сопротивлением в необходимом допуске [26.37]. При этом сопротивление позисторов с
учетом варисторного эффекта контролируют импульсным методом [26.32].
Долговременная стабильность позисторов. В этой части технические условие
[26.78] содержат лишь норму на изменение сопротивления при -}-25°С в
результате долговременных испытаний позисторов на воздухе с выдержкой при
-M0QX — не более ±50%. Количественные данные о старении позисторов ?
условиях хранения на воздухе при температурах -f-25°C и -f-125°C приведены
в [26.79]. Однако условия работы позисторов в РТ и соответствующие
критерии оценки их стабильности далеки от приведенных в [26.78, 26.79]. Для
прогнозирования долговременной нестабильности температуры и частоты в РТ ваЖ-_
ны изменения сопротивления в рабочей области максимального значения
ТКС — обычно при 65... 85 °С в вакууме и с учетом варисторного эффекта.
В [26.76] указано, что ТХС позисторов в области сегнето-параэлектричес-
кого фазового перехода весьма стабильны во времени, хотя при нормальных
климатических условиях позисторы по уровню стабильности уступают
традиционным ТР. Определяющими механизм старения полупроводниковых ТР
являются окислительные процессы. Поэтому работа в вакууме и при умеренных-
температурах резко уменьшает старение. Так, согласно [26.80] уже при
давлении 10~2 мм рт. ст. долговременные изменения сопротивления ТР в 2 раза
меньше, чем при нормальном атмосферном давлении.
Испытания подтверждают высокую долговременную стабильность
позисторов в условиях РТ: типовые изменения сопротивления за 10 000... 15 000 ч н#*
работки не превышают 5%, а за 40 000 ч — 10%· Интересно сравнить
долговременную стабильность позисторов и обычных ТР как датчиков температуры
для ТСУ. Если изменение сопротивления датчика 6RX, а его ТКС а, то для
изменения температуры статирования ???, соответствующего величине 6RX ¦
имеем ??? = ?#?/?. Стабильность ТР как датчика температуры характеризуется
отношением 6R%fa, а не самой величиной ?#? . Оказывается, что из-за
большого значения ТКС позисторы как датчики стабильней обычных ТР.
Максимальное изменение сопротивления позисторов на 5% соответствует изменению
температуры статирования примерно на 0,25 °С.
Теплофизические свойства, Теплопроводность ? керамики, легированной
ВаТЮз, из которой изготовлены позисторы серии СТ6, практически неизменна
с температурой и равна 2,2 Вт/м-°С [26.34]. Удельная теплоемкость с этого
материала примерно 540 Дж/кг-°С, что близко к приведенному в [26.81]
значению удельной теплоемкости чистого ВаТЮ3 523 Дж/кг-°С: Массовая
теплоемкость позистора СТ6-1Б-1 составляет 0,07 Дж/°С.
Приведенные теплофизические характеристики могут быть полезны
потребителям, в частности, для отработки терморегулятора.
35F

26.15. Автотермостабилизация (саморегулирование
температуры) позисторного нагревателя
Одним из важнейших для практики свойств позисторов как нагревателей
является автотермостабилизация, или саморегулирование температуры, без
каких-либо устройств управления мощностью подогрева [26.82, 26.83].
Автотермостабилизация позисторного нагревателя имеет место в области большого
положительного значения ТКС при питании от источника напряжения.
Различные дестабилизирующие факторы вызывают отклонения температуры
позисторного нагревателя относительно установившегося значения. Основные
факторы: изменения температуры среды, напряжения питания и теплоотдачи
термостата. При отклонении температуры позисторного нагревателя от
исходного значения в области большого положительного ТКС резко изменяется
выделяемая в нагревателе мощность так, что возникающие изменения мощности
;препятствуют развитию обусловивших их изменений температуры нагревателя.
^Например, из-за падения температуры окружающей среды (или падения
напряжения питания или роста теплоотдачи термостата) температура позисторного
'нагревателя понижается, уменьшается его сопротивление, а выделяемая мощ-
[ ность соответственно увеличивается, что и препятствует понижению
температуры нагревателя.
Автотермостабилизация позисторного нагревателя качественно может быть
пояснена графически. На рис. 26.13 представлены изменения установившейся
мощности, выделяемой нагревателем (Рн) и рассеиваемой термостатом в
окружающую среду {Ро), в зависимости от температуры нагревателя Ти. С ростом
Тя мощность Ри резко падает, а Ро медленно возрастает. Ясно, что в
установившемся режиме РН=Р0. Пусть первоначальная температура окружающей
среды ???, затем она изменяется и принимает значение Т02· Искомые значения
температур нагревателя Тн\ и Тн2, соответствующие температурам среды ?0? и TQ2,
находятся как абсциссы точек пересечения кривой РН(ТН) и прямых Р0(ТН),
' построенных для ? ?? и То2- Изменение температуры окружающей среды на
'"['??? = ??2—? ?? вызвало изменение температуры нагревателя на АТн = ТН2~Тк\.
На рис. 26.13 приведен случай ?02>?0?; при этом и ??2>???. Коэффициент
'термостабилизации kt = ATo/ATH. Легко показать, что при большом значении
ТКС АГн<АГо nkt>L
/Рис. 26.13. Эффект автотермостаСи- Рис. 26.14. Функциональная схема
лизации позисторного нагревателя установки для измерения темпера-
при изменении температуры окружа- турно-варисторных характеристик со-
ющей среды противления позисторов импульсным
методом
J52

Можно показать, что при питании от источника напряжения позисторный
Нагреватель эквивалентен замкнутой, с отрицательной обратной связью,
системе с пропорциональным терморегулированием. Для выделяемой мощности
имеем PH(TR) = U2IR{TB, U)=Aexp(—aTH), где величина Л не зависит от
температуры Гн. Отсюда получаем, что при отклонении температуры нагревателя от
установившегося значения Тн на малую величину ??? изменение выделяемой
мощности происходит по закону АРн=Рн(Тк+АТп)—Рн(Ти)=—аРн(Тн)АТя,
т. е. пропорционально АТН и с обратным знаком.
Ясно, что чем больше ТКС, тем точнее автотермостабилизация.
Соответствующие количественные данные для самопегулирующихся РТ приведены в
§ 26.17.
26.16. Измерение сопротивления позисторов
Может возникать необходимость измерения сопротивления позисторного на-
тревателя или термодатчика при тех или иных температурах и напряжениях.
Для измерения сопротивления при заданной температуре с учетом варнсторно-
?го эффекта следует использовать импульсный метод, применяемый
изготовителями РТ [26.32].
Функциональная схема установки представлена на рис. 26.14. Напряжение
tU от регулируемого и стабилизированного источника постоянного напряжения
'через генератор импульсов подается в виде короткого одиночного импульса на
цепочку из последовательно соединенных эталонного сопротивления R9T и
измеряемого позистора Ra- Импульс напряжения ?/изм, возникающий при этом на
эталонном сопротивлении, измеряется цифровым вольтметром, работающим в
{режиме внешнего запуска. Позистор помещен в термостат, поддерживающий
требуемую температуру Т, запускающий импульс приходит на цифровой вольт-"
-метр от импульсного генератора, запускаемого вручную. Сопротивление
позистора рассчитывается по формуле
\ ^изм /
При условии Rn^>R9T единицей в формуле B6.6) можно пренебречь, а на-
шряжение на позисторе Un=U—?/ИЗм~^. Тогда сопротивление позистора,
считая его температуру неизменной и равной 7, будет
Ru(T,U) = R9T-?—. B6.7)
'Обработку результатов можно упростить, выбирая R3T так, чтобы произведение
Rrt U было равно 10п, где ? — целое число. Тогда показания цифрового
вольтметра, т. е. С/изм, будет численно равно проводимости позистора \/Rn,
умноженной на данную целую степень десяти. Одновременно в термостат может
устанавливаться большое число измеряемых элементов, поочередно
подключаемых к /?эт. Данный метод может быть использован и для измерений
сопротивлений ТР, не имеющих варисторного эффекта.
Погрешность метода обусловлена некоторым разогревом позистора коротким
импульсом тока и оценена в [26.32]. Максимальная погрешность имеет место
при +60 °С и при длительности импульса 75 мс и напряжении 10 В
составляет около 3%. С повышением и понижением температуры (относительно +60°С)
•погрешность метода уменьшается и при +70°С составляет около 1%. В целом
юценки показывают, что для практических случаев погрешность пренебрежимо
мала.
Описанный метод позволяет варьировать независимо друг от друга оба
параметра, определяющие сопротивление позистора, — его температуру и
приложенное напряжение. При этом какой-либо отдельный датчик температуры
позистора не требуется. Метод отличается высокой точностью и простотой
реализации.
35#

26.17. Устройство и тепловой режим стандартизованных РТ
с позисторкьш нагревателем
Большинство РТ с позисторным нагревателем и датчиком температуры,
включая все экономичные по потреблению РТ повышенной стабильности, имеют
вакуумную теплоизоляцию термостатированного узла и выполнены в
унифицированной базовой конструкции (см. рис. 26.3, 26,4) в стандартных стеклянных
корпусах типов Д и С. Жесткие выводы РТ облужены для припайки к ним
гибких проводов. Такие РТ стандартизованы и поставляются широкому кругу
потребителей как изделия электронной техники общего применения.
Тепловая схема РТ [26.1, 26.27, 26.37] отражает распределена температур
по нагревателю, теплопередачу от нагревателя к ПЭ и в окружающую среду.
Практически весь теплоотвод от нагревателя происходит через его торкевую
поверхность, припаянную к металлическому основанию, образующему вместе с
колпачком (тепловым экраном) теплораспределительную камеру вокруг ПЭ.
Поскольку теплопроводность позистора сравнительно низка B,2 Вт/м-°С),
выделяемый нагревателем тепловой поток обусловливает его заметно
неравномерный разогрев. По самому нагревателю имеет место перепад температур, причем
более высокую температуру имеют части нагревателя, удаленные от его тепло-
отдающей торцевой поверхности.
Для приближенных оценок термостабилизации ПЭ камеру в
установившемся режиме можно считать изотермичной. Тогда тепловой поток от нагревателя
к ПЭ через стойки кварцедержателя отсутствует, а основание и укрепленный на
нем ПЭ имеют одну и ту же температуру с припаянной к основанию
поверхностью нагревателя.
Тепловая схема одноступенчатого РТ с учетом рассмотренного выше
распределения температур приведена на рис. 26Л5,а, где Гн — локальное значение
температуры нагревателя; qv — объемная плотность тепловыделения; Рн —
полная выделяемая нагревателем мощность (Ря = Г gvdV, V — объем нагревателя);
V
Тк и То — соответственно температуры ПЭ и окружающей среды; Rt—
термическое сопротивление между местом установки нагревателя и окружающей
средой. Этой тепловой схеме эквивалентна принятая в расчетах РТ тепловая
схема на рис. 26.15,6, где fH — среднеобъемная температура нагревателя, a RtN—
эквивалентное термическое сопротивление, обусловленное неравномерным
разогревом нагревателя и соответствующее перепаду температур Тп—Тк и
выделяемой мощности Рн: /?<н= (Тп—Тк)/Рн. Полное термическое сопротивление РТ
теплоотдаче в окружающую среду Rtc=Rt-rRiH. Поскольку Rtn<^Rt, то Rto^
Вопрос о неравномерности разогрева позисторного нагревателя и величине
Rtu решен в [26.27]. Если h, ? и F — соответственно толщина, теплопроводность
и площадь торцевой поверхности нагревателя (рис. 26.15,в), то
_ J h_
Rill~ 3 ? Г
B6.8)
В рассматриваемых РТ нагреватель состоит из нескольких позисторов
СТ6-1Б-1, включаемых параллельно. Число позисторов-нагревателей, устанав·
Рис, 26.15. Тепловая
схема одноступенчатого
РТ с учетом
неравномерности разогрева на- '
гревателя:
а — схема с
распределенным объемным тепловыде- ¦
лением в нагревателе; 6 —
эквивалентная расчетная.
схема; в — схема
нагревателя с системой координат
354

ливаемых на оснований тёплораспрёделйтельной камеры, в
саморегулирующихся РТ от двух до пяти, а в РТ, управляемых внешним терморегулятором, — от
двух до четырех (при этом еще один позистор, устанавливаемый в центре
основания, является датчиком температуры для терморегулятора). Для
нагревателя из iV позисторов СТ6-1Б-1 термическое сопротивление RtH ~ 8/Л/0С/Бт.
Электрическое сопротивление неравномерно разогретого терморезистора, а
следовательно, и выделяемая на нем мощность соответствуют его среднеобъем-
ной температуре [26.8]. Поэтому в дальнейшем под температурой позисторного
нагревателя всегда понимается его среднеобъемная температура, а черта
сверху над 1? для простоты опускается.
Стационарный тепловой режим одноступенчатого РТ описывается системой
уравнений теплового баланса [26.1, 26.27, 26.37]:
рнМ^н. Ujd = {TH—TQ)/RtG-t B6,9)
17„ = Гн - (Rt*/Rtc) (Тя - Т0), B6.10)
где кроме ранее рассмотренных величин UH — напряжение на нагревателе;
<Тс(Гн, UH) = VR(TH, U?)—суммарная проводимость нагревателя при
температуре Тн и напряжении UH, описанная в [26.28].
В отличие от напряжения на нагревателе UH напряжение источника
питания термостатирующей системы обозначено Е. В случае саморегулирующихся
РТ ?/ц —я. У РТ, работающих с внешним пропорциональным терморегулятором,
из-за падения напряжения на выходном транзисторе терморегулятора ??<:?,
причем отношение UjE = r\ есть КПД терморегулятора в соответствующих
условиях.
При изменении температуры окружающей среды Т0 меняется и выделяемая
нагревателем мощность Рн, равная соответствующим тепловым потерям РТ. Как
следствие меняется и перепад температур между нагревателем и ПЭ,
обусловленный термическим сопротивлением RtH: Тп—Тк — РнЯт· В результате в
саморегулирующихся РТи в РТ, управляемых терморегулятором с объединенным
измерительно-нагревательным мостом, влияние RtH приводит к ухудшению
точности поддержания температуры ПЭ (АТК) по сравнению с точностью
поддержания температуры нагревателя (???), т. е. к появлению дополнительной
статической ошибки термостабилизации: АТК>АТН. При учете изменений
температуры и выделяемой мощности с соответствующими знаками имеем АТК = АТИ—-
—ATnRtfi. т. е. AT* = ATn + AT0(RtBIRtc), где второе слагаемое в правой части
я представляет собой искомую, обусловленную RtK дополнительную статическую
ошибку термостабилизации.
Если отсчитывать точность поддержания температуры статирования
относительно ее значения при +25 °С, то у современных РТ максимальная (при
¦—60DC) дополнительная статическая ошибка термостабилизации, т. е. величина
Ato(RtJRtc), лежит в пределах 0,25... 0,55 °С. Для прецизионных РТ с внешним
двухпозиционным терморегулятором это должно учитываться. Для
саморегулирующихся РТ таким ухудшением точности поддержания температуры можно
пренебречь.
В РТ, управляемых внешним терморегулятором с отдельным позистором-
датчиком температуры, величина RtH на точность поддержания температуры ПЭ
практически не влияет. Мощность, рассеиваемая на позисторе-датчике,
пренебрежимо мала (обычно менее 1 мВт).
Суммарная проводимость нагревателя РТ обычно выбирается из уравнений
B6.9), B6.10) так, чтобы для каждого ПЭ обеспечить поддержание
температуры у экстремума его ТЧХ [26.37].
Для достижения лучшей стабильности частоты в случае
саморегулирующихся РТ проводимость нагревателя выбирают из условия разогрева ПЭ до
температуры экстремума ТЧХ в нормальных климатических условиях при
напряжении на нагревателе, равном номинальному напряжению питания. Для
прецизионных РТ, управляемых внешним терморегулятором, условие выбора
проводимости нагревателя иное: необходимо обеспечить разогрев ПЭ до темяературы
экстремума ТЧХ при пониженной рабочей температуре среды и напряжении на
нагревателе, на 1 ... 5 В меньшем пониженного рабочего напряжения питания.
355

P„ T2 Rt Tj ЯГ Рис. 26.16. Упрощенная тепловая
—э*»о €Z3—-О CZ) —j схема РТ с двухступенчатым термо-
^ р\ р=р+р "' ° статированием пьезоэлемента
«Динамические» тепловые схемы РТ и уравнения, описывающие период
выхода на режим после включения, рассмотрены в [26.31].
Саморегулирующиеся РТ для повышения температурной стабильности
частоты часто выполняют с двухступенчатым термостатированием ПЭ [26.35],
которое в базовой конструкции реализуется установкой дополнительного позис-
тора-нагревателя на промежуточном фиксирующем основании, являющимся
внешней, грубой ступенью термостатирования (см. рис. 26.4). Габариты РТ при
этом не увеличиваются, но потребление возрастает примерно на одну треть.
Обычно нагреватель внешней ступени электрически включают параллельно с
нагревателем внутренней ступени. Поскольку на основном нагревателе
(внутренней ступени) выделяется заметно меньшая мощность, чем на нагревателе
одноступенчатого РТ, то перепадом температур Тп—Тк в двухступенчатом РТ
можно пренебречь. Его тепловая схема показана на рис. 26.16, а стационарный
тепловой режим описывается системой уравнений
{Р2 = G,2-Т1)/^(г21)
, B6.11)
\P2 + Pi = (.Ti-T0)/R{tw
где ?? и Г2, Pi и ?2 — соответственно температуры и мощности нагревателей
первой (внешней) и второй (внутренней) ступеней термостатирования, причем
температура ПЭ ТК=Т2; Дг{10) и RtB1) — термические сопротивления
соответственно между внешней ступенью и окружающей средой и между внутренней
и внешней ступенями.
Выделяемые нагревателями мощности описываются выражениями Р\ =
= !721??(?1, ??) и ?2 = ?/22?2G2, U3), где Vx и Uit ??G\, ??), ?2(?2, U2) -
соответственно напряжения на нагревателях и температурно-варисторные
характеристики проводимости нагревателей внешней и внутренней ступеней. Как уже
говорилось, обычно <?/?=-?/2, но в принципе возможно и питание нагревателей от
разных источников.
26.18. Эксплуатационные характеристики стандартизованных РТ
с позисторным нагревателем
Диапазон частот, порядки колебаний и срезы ПЭ. В настоящее время
разработаны и выпускаются кварцевые РТ на частоты от 2 до 10 МГц. В
простейших саморегулирующихся РТ чаще используют ПЭ с колебаниями на основной
моде, а в прецизионных РТ—АТз и АТз. Разработаны и выпускаются РТ с ПЭ
среза СЦ3. Известные достоинства среза СЦ (см. разд. 16 и 17) приведут к
преимущественному использованию его в РТ для соответствующих применений.
Спектр частот и значения динамических параметров у РТ определяются
использованными в них типами ПЭ и не отличаются от значений параметров
обычных КР, описанных в соответствующих разделах. Конкретные значения
параметров РТ приведены в § 26.22.
Уровни возбуждения у РТ близки к прецизионным термостатируемым КР
традиционного исполнения. Обертонные РТ среза AT более чувствительны к
уровню возбуждения, и превышение по току уровня 100... 250 мкА нежелательно.
Температурная нестабильность. В саморегулирующихся РТ на позисторах
температура ПЭ при изменении температуры окружающей среды монотонно
изменяется в ту же сторону, что и температура среды, как это показано на
рис. 26.17. Приближенно можно считать, что в саморегулирующихся РТ
точность поддержания температуры ПЭ в интервале —60... 70 °С составляет ±6°С
в одноступенчатых и ±3°С в двухступенчатых РТ, а в интервале —10... 50 °С
соответственнс ±3°С и ±1,5СС. Таким образом, коэффициент термостабилизации,
определяемый как отношение изменения температуры среды к обусловленному
356

Рис. 26.17. Зависимости изменения
температуры статирования пьезоэле-
мента 'от температуры окружающей
среды в одноступенчатом A) и
двухступенчатом B)
саморегулирующихся РТ с позисторным
нагревателем
Рис. 26.18. Зависимости
дифференциального коэффициента термоста-
дТк
билизации ПЭ ~(kt = \l ') от тем-
дТ 0
пературы окружающей среды для
одноступенчатого A) и
двухступенчатого B) саморегулирующихся РТ
с позисторным нагревателем
им изменению температуры статирования, равен 10 у одноступенчатых и 20 у
двухступенчатых РТ. Влияние на стабильность температуры статирования
небольших отклонений температуры среды от того или иного установившегося
(«номинального») ее значения может быть оценено по дифференциальному ко-
дТк
эффициенту термостабилизации kt = \j , изменения которого в широком
дТ0
интервале температур среды показаны на рис. 26.18.
Типовые значения температурной нестабильности частоты
саморегулирующихся РТ с ПЭ среза AT составляют;
у одноступенчатых РТ около ±Ы0~6 в интервале —60 ...+70 °С и ± C ...
... 5) · Ю-7 в интервале —10... +55 °С;
у двухступенчатых РТ около ±5-10~7 в интерзале —60... +70°С и ±A,5...
...2)-10~7 в интервале —10...+55°С.
В прецизионных РТ с внешним терморегулятором точность поддержания
температуры в широком интервале рабочих температур среды обычно не
превышает ± @,2... 0,3) °С. Как правило, базовая температура статирования,
поддерживаемая терморегулятором в РТ, настраивается в нормальных условиях
на экстремум зависимости частоты от этой температуры, но температурная
нестабильность частоты определяется не только статической ошибкой
терморегулятора. Основной вклад здесь вносят температурные градиенты в термостати-
руемом узле и самом ПЭ, изменяющиеся с температурой окружающей среды.
Температурная нестабильность частоты прецизионных РТ (табл. 26.3) не
описывается ТЧХ ПЭ. Этот вопрос был рассмотрен в § 26.5.
Температурное поле ПЭ зависит от многих конструктивно-технологических
факторов, имеющих значительный разброс. Поэтому у образцов одного и того
же типа РТ наблюдаются не только различные значения, но и различные
знаки температурной нестабильности частоты. Сказанное относится как к срезу
AT, так и к срезу СЦ (см. табл. 26.3).
Нестабильность от напряжения питания. В саморегулирующихся РТ
изменения напряжения питания вызывают заметные изменения поддерживаемой
температуры (рис. 26.19), причем определенный вклад в чувствительность к
напряжению питания вносит присущий позисторам варисторный эффект — уменьше-
357

Таблица 26.3. Типовые значения температурной нестабильности частоты
прецизионных РТ с внешним терморегулятором
Срез
АТ5
АТ3

Частота,
МГц
5
10
Интервал
температур,
°С
—10...55,
—60... 70
-10...55,
—60...70
тнч, ? ю-8
+ 1,
+B...2,5)
+B,5...3),
±E...7)
Срез
1
ATi
СЦ3

Частота,
МГц
10
5
Интервал
температур,
°С
-10...55,
—60...70
—10...55,
-60...75
тнч, хю-8
'+E... 10),
+A5...20)
+@,3.. .0,5),
+ 1
ние сопротивления с ростом приложенного напряжения. Для приближенных
оценок изменений температуры статирования в саморегулирующихся РТ при
наиболее распространенных номинальных напряжениях UH = 9... 20 В можно
использовать соотношение АТК=0,17(AUJUR), где ?UJUH — относительное
изменение напряжения, %, а ?7? — обусловленное им изменение температуры ПЭ,
°С. Чувствительность температуры статирования к изменениям напряжения
питания слабо зависит от окружающей температуры и в интервале —60...+60 °С
может считаться неизменной.
Указанные изменения температуры ПЭ приводят к изменениям частоты.
Типовая нестабильность частоты саморегулирующихся РТ не превышает ±2·10~7
от изменений напряжения питания на 10% и ±Ы0~7 от изменений
напряжения на 5%·
В прецизионных РТ с внешним терморегулятором изменения напряжения
питания отрабатываются терморегулятором с высокой точностью.
Остаточными изменениями температуры и частоты по сравнению с влиянием изменений
окружающей температуры обычно можно пренебречь. Так, при изменении
напряжения питания на ±10% изменение частоты обычно не превышает ±10-9.
Из-за сильной тепловой связи ПЭ с нагревателем частота РТ весьма
чувствительна к резким изменениям напряжения на нагревателе. Динамические
«выбеги» частоты РТ при резких изменениях напряжения питания в основном
определяются построением терморегулятора. Для устранения динамического
«выбега» частоты необходим такой терморегулятор, чтобы напряжение на
нагревателе РТ не зависело от изменений напряжения питания. При
использовании пропорционального терморегулятора (см. рис. 26.29) [26.53] это условие
выполняется, и даже при скачкообразных изменениях напряжения питания на
±10% динамические «выбеги» частоты отсутствуют, и общие изменения
частоты составляют порядка Ю-9.
Потребители РТ в ряде случаев используют терморегуляторы, в которых
при резком изменении напряжения питания соответственно изменяется и
выходное напряжение на нагревателе РТ. Результатом являются значительные
динамические «выбеги» частоты, достигающие при 10%-ных «скачках» питания
порядка @,5... 1)·10-7.
При батарейном питании прецизионных РТ проблема их реакции на
«скачки» питания обычно не стоит.
Стойкость к механическим и климатическим воздействиям. Базовая
конструкция, в которой реализованы рассматриваемые РТ, характеризуется повы-
Рис. 26.19. Зависимость температуры
статирования ПЭ в саморегулирующихся РТ
от относительного изменения напряжения
питания позисторного нагревателя
358

шенной механической прочностью и устойчивостью. Прецизионные РТ успешно
выдерживают воздействие одиночных ударов с ускорением 500g, многократных
ударов 100... 150g\ длительных вибраций в диапазоне до 2000 Гц с амплитудой
ускорения до IQg. При этом у РТ срезов АТ5 и СЦз на частоту 5 МГц
типовые значения нестабильности частоты от указанных механических
воздействий не превышают ± (;1... 2) · 10~~8, а изменения частоты в процессе воздействия
вибраций (виброустойчивость) не более ±2·10~9. Простейшие
саморегулирующиеся РТ с ПЭ среза ??? имеют соответствующие изменения частоты в 5... 10
раз больше.
Различными технологическими приемами нестабильность частоты
прецизионных РТ от воздействия циклической смены температур среды —60... +70 °С
снижена до ± A ... 2)· 10~8. У простейших саморегулирующихся РТ с
колебаниями первого порядка изменения частоты от термоциклов в 5... 10 раз
больше. Как и обычные вакуумные КР в стеклянных корпусах, РТ надежно
выдерживают длительное воздействие повышенной влажности воздуха.
Типовая нестабильность частоты от всей совокупности механических и
климатических воздействий не превышает
±5·10~^8 для прецизионных РТ на частоту 5 МГц срезов АТ5 и СЦ3;
±A ... 1,5)-10~7 для прецизионных РТ среза АТ3 на частоту 6... 10 МГц;
±5·10^7 у простейших саморегулирующихся РТ среза АТК
Долговременная нестабильность частоты. По долговременной стабильности
частоты рассматриваемые РТ на соответствующих частотах и порядках
колебаний вплотную приблизились к прецизионным термостатируемым КР
традиционного исполнения.
Простейшие саморегулирующиеся РТ обычно обеспечивают долговременную
нестабильность частоты не хуже ±3·?10~ за месяц и ±Ы0~6 за год работы.
С учетом их температурной стабильности частоты более жесткие требования
вряд ли оправданы.
Типовые изменения нестабильности частоты за сутки для прецизионных РТ
E МГц) в зависимости от времени предшествующей наработки показаны на
рис. 26.20. В начальный период работы (через 1 ч... 1 сут и тем более через
5... 15 мин) после включения суточная нестабильность РТ среза СЦ существенно
лучше, чем у РТ среза AT.
Со временем их суточные нестабильности сближаются, становятся
практически одинаковы и через 3, 5 и 10 сут после включения составляют примерно
1,5·Ю-9, Ы0~9 и 5-10~10/сут соответственно.
Старение прецизионных РТ E МГц) среза АТ5 в непрерывном режиме
работы после 5 сут наработки
показано на рис. 26.21,а. Такие РТ
обеспечивают нестабильность за первый
год работы не хуже ±10~~7. За
второй год их (нестабильность около
±5«10-8. У различных образцов РТ
изменения частоты имеют разные
знаки. Более того, характеристики
старения одних и тех же образцов
могут быть немонотонны и знак
изменений частоты может меняться.
Рис. 26.20. Типовые зависимости
нестабильности частоты прецизионных
РТ за 1 сут работы от времени
предварительной наработки
(прогона) после включения:
1 — срез АТ5, 5 МГц; 2 — срез СЦ3>
5 МГц
359

Рис. 26.21. Характеристики долговременной нестабильности частоты
прецизионных РТ среза ATs, 5 МГц в режиме непрерывной работы (/, 2, 3 — различные
образцы РТ):
а — после 5 сут предварительной наработки; б — за первые 5 сут, через 1 ч после
включения (те же образцы)
В самый начальный период работы РТ их стабильность хуже, чем на рис.
26.21,а. Изменения частоты за первые 5 сут работы через 1 ч после включения
для тех же, что и на рис. 26.21,? образцов РТ показаны на рис. 26.21,6. Видно,
что изменения частоты за первые 5 сут составляют не менее чем за
последующие 42 сут A000 ч). Резонаторы-термостаты на частоту 10 МГц на третьем
обертоне имеют долговременную стабильность частоты примерно вдвое хуже,
чем на рис. 26,21.
Долговременная нестабильность частоты в непрерывном режиме после
нескольких C... 5) суток наработки у РТ с ПЭ срезов СЦ и AT близка. Это
видно и из графиков на рис. 26.20.
При работе РТ с перерывами (по несколько часов в сутки с последующими
выключениями) долговременная нестабильность частоты за соответствующий
календарный срок заметно лучше, чем при работе в непрерывном режиме. На
рис. 26.22 показаны изменения частоты двух образцов прецизионных РТ среза
СЦз E МГц) в нормальных условиях в режиме работы по 4 ч в сутки с
отдельными перерывами на 1... 2 сут. Имеют место немонотонные изменения
частоты разных знаков. В таком режиме работы (по несколько часов в сутки)
типовая долговременная нестабильность частоты прецизионных РТ не превышает
±Ы0""8 за первый месяц и ±5·10~8 за первый год для РТ на частоту
5 МГц срезов АТ5 и СЦ3,
±3·?10*~8 за первый месяц и ±1,5-10~7 за первый год для РТ на частоту
10 МГц среза АТ3.
Воспроизводимость частоты от включения к включению для прецизионных
РТ на 5 МГц, как правило, не хуже ± B... 3) · Ю-9.
Выход на режим термостатирования. Изменения тока, потребляемого наг-
ревателем после включения, для двух типов РТ, различных по напряжению ис-
Рис. 26.22. Характеристики
долговременной нестабильности частоты прецизионных
РТ на частоту 5 МГц (срез СЦ3) в
режиме работы по 4 ч в сутки
360

Рис. 26.23. Типовые зависимости тока, потребляемого РТ в период выхода на
режим, от времени с момента включения при температуре среды —60 °С A) и
в нормальных условиях B) для модификаций РТ с различным напряжением
питания термостатирующей системы:
а- 12 В; 6 — 27 В
точника питания Е, приведены на рис. 26.23. Оба типа РТ работают с внешним
пропорциональным терморегулятором. Как у саморегулирующихся РТ, так и у
РТ с внешним терморегулятором ток включения гораздо больше тока
установившегося режима. При температурах среды ниже +10оС ток после включения
быстро нарастает, достигает максимума, а затем падает. Максимум
потребления соответствует минимуму сопротивления позисторного нагревателя, т. е.
моменту его разогрева от температуры включения до нормальной температуры.
При температурах среды свыше +30 °С потребляемый ток сразу после
включения начинает падать, но здесь для быстрого разогрева уже не требуется
большой мощности.
Предельное значение потребляемого тока (или мощности) обычно
нормируется в ТУ на РТ.
Характеристика изменения потребления после включения имеет (благодаря
малой теплоемкости термостатируемого узла) острый максимум, особенно при
больших значениях напряжения питания. Так, при напряжении 27 В интервал
времени, в течение которого ток превышает 0,5 А, составляет не более 10 с.
При батарейном питании для потребителей РТ важна дополнительная
энергия, отбираемая от источника в период выхода на режим и расходуемая на
разогрев. Эта энергия определяется теплоемкостью термостатируемого узла и
рабочей температурой окружающей среды. Теплоемкость в базовой конструкции
РТ около 1,5 Дж/°С. Тогда для предельной температуры —60 °С энергия
разогрева примерно 210 Дж, в нормальных условиях 90 Дж. В обоих случаях
энергия, расходуемая на разогрев, эквивалентна примерно 10 мин
стационарного режима работы при соответствующей температуре среды.
Типичные времена установления частоты РТ для различных точностей
установления частоты при —60 °С и в нормальных климатических условиях (НКУ)
показаны на рис. 26.24. У саморегулирующихся РТ время установления
частоты с точностью лучше ±@,5... 1)·10~6 обычно не нормируется.
В начальный период после включения имеют место значительные отклонен
ния частоты РТ от ее установившегося рабочего значения, составляющие у
среза AT до D0 ... 50) · 10~6 и еще больше (около 60-10-6) у среза СЦ (см. рис;
26.25).
Мощность, потребляемая в установившемся режиме. Типичные значения?
установившейся потребляемой мощности РТ для различных конструктивно-тех-.
нологических вариантов базовой конструкции в корпусе Д сведены в табл. 26 А.
13—45
Ш

Рис. 26.24. Зависимости времени
установления частоты РТ после включения
от требуемой точности установления
частоты:
/ — срез AT, Т0=—60 °С; 2 — срез AT,
нормальные условия; 3 — ррез СЦ, Т0 = — 60 °С;
4 — срез СЦ, нормальные условия
Таблица 26.4. Типовые значения мощности, потребляемой нагревателем РТ
в установившемся режиме
Вариант конструкции (в корпусе Д)
Тип ТСС
Одноступенчатый
Двухступенчатый
Длина баллона, мм
43
(короткие стойки)
49,2
(длинные стойки)
43
(короткие стойки)
49,2
; (длинные стойки)
Температура
среды, °С
—60
НКУ
. —60
НКУ
—60
НКУ
| —60
1 нку

Потребляемая
мощность, мВт
: зоо
150
"; 200 \
100
450
.. 200
. 300
150
Если РТ работает с внешним терморегулятором, то с учетом потребления
последнего полная мощность, потребляемая ТСС, больше приведенной в табл.
26.4 мощности тепловых потерь РТ, поскольку КПД терморегулятора ? всегда
.меньше 1. Полное энергопотребление определяется как P~PJr\.
Габариты. Как уже указывалось, описываемые РТ выполняются в 9-штырь-
. гковых пальчиковых корпусах типа Д (диаметр 22,5 мм) с максимальной
высотой 43 и 49 мм, а также в меньшем 7-штырьковом корпусе типа С (диаметр
19 мм) с максимальной высотой 41 мм.
V
26.19. Резонатор-термостат с пленочным нагревателем
и термодатчиком на пьезоэлементе
В РТ с пленочным нагревателем и термодатчиком, размещенными на ПЭ
[26,44, 26.45], ТСС не содержит теплораспределительных элементов.
Теплоемкость термостатируемого узла здесь минимальна и практически равна
теплоемкости ПЭ. Термическое сопротивление теплопередаче от нагревателя к ПЭ
также минимально. В результате такие РТ при данном ПЭ имеют малые
габариты и время установления частоты по сравнению с другими видами РТ, что
является их принципиальным достоинством.
362

Рис. 26.25. Характеристики изменений частоты прецизионных РТ в период
выхода на режим после включения при температуре среды —60 °С (/) и в нор-:
хмальных условиях B):
а—срез АТ5, 5 МГц; б — срез С'Лъ, о МГц
Вариант конструкции такого РТ (без баллона) показан на рис. 26.26. На
прямоугольный ПЭ с тонкопленочными электродами напылен тонкопленочный
резистивный нагреватель, состоящий из двух соединенных последовательно
элементов. Датчик температуры в виде бусинкового терморезистора (типа СП-18)
13*
Рис. 26.27. Характеристики изменений частоты РТ t
пленочным нагревателем на пьезоэлементе в период!
выхода на режим после включения при температуре
среды — 10 °С G)"rf-+*50C B)
-— - . . . . . _ , „ , _.—__^
Рис. 26.26. Конструкция РТ с пленочным нагревателем-
и датчиком температуры непосредственно на ПЭ: '¦*<
/ — ПЭ; 2 — тонкопленочный электрод; 3 ~ тонкопленочный
резистивныи нагреватель; 4 — бусинковый микротерморезистор-
датчик температуры; 5 — отводы микротерморезистора-датчи-:
ка; 6—стойка держателя; 7 —основание корпуса (ножка),!

также размещен на ПЭ и крепится на его поверхности клеем. Отводы от
терморезистора, нагревателя и электродов выведены на контактные площадки ПЭ,
В такой конструкции теплопередача от термостатируемого ПЭ в окружающую
среду происходит через все элементы держателя. Последние для уменьшения
тепловых потерь выполняют в виде тонких проволок @0,2... 0,4 мм) из
низкотеплопроводных сплавов (нихрома, константана). Усовершенствованные РТ
вместо дискретного терморезистора-датчика имеют тонкопленочный ТР,
наносимый на ПЭ посредством высокочастотного магнетронного распыления [26.47—
26.50]. Разработанная технология обеспечивает идентичность электрических
характеристик полупроводниковых тонкопленочных терморезисторов из твердые
растворов окислов переходных металлов, в частности Со—?? и Со—Мп—Си,
с их дискретными прототипами. Оптимизация технологии тонкопленочных ТР,
наряду с благоприятными условиями их работы в РТ (в вакууме), обеспечили
высокую долговременную стабильность сопротивления (не хуже 1% за 10 000 ч
при 90°С для кобальто-марганцевых терморезисторов). Вклад старения такого
датчика в долговременную нестабильность частоты РТ пренебрежимо мал.
Переход на тонкопленочные термодатчики позволит отказаться от
трудоемкого ручного монтажа дискретных терморезисторов, а также повысить
температуры вакуумирования и технологических тренировок и тем самым повысить
долговременную стабильность частоты. Переход на тонкопленочные термодатчики,
а также тонкопленочные контактные площадки позволит реализовать
групповую микроэлектронную технологию производства РТ с пленочным нагревателем.
Важно понимать, что в РТ с пленочным нагревателем практически весь
выделяемый нагревателем тепловой поток в установившемся режиме проходит
непосредственно по ПЭ. Это приводит к появлению в ПЭ температурных
градиентов, изменяющихся с температурой окружающей среды, что ухудшает
температурную стабильность частоты таких РТ, особенно в широком интервале
температур. В зависимости от среза, геометрии ПЭ, расположения на ПЭ
пленочных нагревателей температурная стабильность частоты таких РТ существенно
различна. Основой для конструирования РТ с пленочным нагревателем
явились результаты исследования влияния локального нагрева на частоту ПЭ [26.22,
26.65, 26.43], в соответствии с которыми были оптимизированы области
расположения нагревателей на ПЭ.
В настоящее время промышленные РТ с пленочным нагревателем и
датчиком на ПЭ реализованы на частоту 10 МГц на срезе АТ5 с прямоугольным ПЭ
(размеры 14X7 мм) в виде плоско-выпуклой линзы. При этом температурная
нестабильность частоты с внешним пропорциональным терморегулятором в
интервале —10... +55 °С составляет около ±7*10~8 [26.46]. С расширением
рабочего интервала температур стабильность частоты таких РТ существенно
ухудшается. Время установления частоты с точностью ±10~7 в нормальных
условиях не превышает 30 ... 40 с, а при —10 °С — около 1... 1,5 мин.
Характеристики установления частоты после включения показаны на рис. 26.27 [26.45].
Размещенные по периферии ПЭ, нагреватель и термодатчик практически не
ухудшили добротность, которая составляет около ЫО6. Мощность,
потребляемая ТСС в нормальных условиях, составляет около 140 мВт. Нестабильность
частоты РТ за первые сутки после 1 ч наработки около ±2-10~8.
Выполняются РТ в миниатюрном баллоне типа Э диаметром 10 и длиной 35 мм (объем
3 см3).
Необходимо отметить, что нет принципиальных препятствий к расширению
номенклатуры РТ с пленочным нагревателем. Некоторые предприятия
разработали и изготавливают для собственных нужд на базе рассмотренного выше РТ
другие модификации, в частности на частоту 10 МГц с ПЭ среза АТ3, а также
на более высокие частоты.
26.20. Общие вопросы построения функционально законченных
ПЭУ на резонаторах-термостатах
Пьезоэлектронные устройства, основанные на использовании РТ, из-за их
компактности и совместимости с компонентами РЭА более всего пригодны для
использования в современных сложных радиотехнических системах [26.42]. В
364

этой связи не только предприятия отраслей-потребителей РТ, но и предприятия
пьезоэлектроники уделяют все больше внимания разработкам и производству
функционально законченных блоков высокостабильных КГ [26.52, 26.54].
Применение находят сверхузкополосные КФ на РТ [26.64]. Целесообразно
изложить общие вопросы создания таких устройств.
Возникает вопрос о размещении и термостатировании в объеме РТ,
наряду с ПЭ, также и электронной части схемы КГ или КФ, выполняемой в виде
специализированной микросхемы [26.29, 26.36, 26.54]. На первый взгляд это
представляется актуальным как с точки зрения миниатюризации ПЭУ, так и
с точки зрения повышения стабильности частоты в результате термостатирова-
ния схемы. Именно такое устройство (КГ с микросхемой, термостатированной
•в РТ вместе с ПЭ) описано в [26.29, 26.36]. Термостатируемая микросхема,
выделяющая мощность Р, влияет на температуру статирования ПЭ. Это влияние
эквивалентно сдвигу вверх интервала рабочих температур среды на величину
PRu [26.36, 26.54].
Уменьшить дестабилизирующее влияние мощности термостатируемой
микросхемы можно за счет уменьшения Ru, P и повышения температуры
статирования ts. Первое нежелательно, так как увеличивает энергопотребление РТ.
Возможности уменьшения ? ограничены мощностью 15... 30 мВт. Для современных
РТ, имеющих ?гс~600°С/Вт, это эквивалентно повышению верхней рабочей
температуры среды на 10... 20 °С. Повышение температуры статирования ПЭ
ухудшает долговременную стабильность частоты.
Для компенсации перегрева из-за тепловыделения микросхемой необходимо
обеспечить выполнение условий ts—(/0 макс+Я#*с) ^=5 °С. Так, в [26.24] из-за
нерегулируемой мощности термостатируемых микросхем температуру
статирования пришлось поднять до 94 °С при верхнем значении температуры среды
75 °С.
Кроме этого, при термостатировании микросхем в небольшом замкнутом
вакуумированонм объеме РТ возникают технологические трудности обеспечения
вакуумгигиеничности.
Из всех элементов нстермостатированной схемы прецизионного КГ
наибольшую температурную нестабильность частоты B... 5) ¦ 10~8 вносит варикап
электронного корректора частоты, который, однако, при работе заперт и не
рассеивает мощности. Варикапы имеют малые размеры и удобны для крепления
непосредственно на нагревателе РТ. Соответствующие схемотехнические решения
и выбор элементной базы позволяют доводить температурную нестабильность
частоты остальной нетермостатированной схемы КГ в интервале температур
—60 ... +85 °С до ± @,5 ... 1) · Ю-8 [26.84].
Наиболее рациональным в настоящее время представляется термостатиро-
вание в составе РТ лишь варикапа электронного корректора частоты
генератора [26.42, 26.52], Длительные испытания B5 000 ч наработки) подтвердили
надежность и вакуумгигиеничность варикапов 2В116А-1 в составе РТ.
При реализации прецизионных КГ на РТ возникают трудности в
обеспечении высокой кратковременной стабильности частоты, низкого уровня шумов и
высокой стабильности частоты при изменениях напряжения питания ТСС,
обусловленные сильной тепловой связью нагревателя с ПЭ. Эти проблемы требуют
серьезного внимания к разработке терморегулятора для РТ и успешно решаются
при использовании пропорционального терморегулятора [26.53].
Целесообразны разработка и освоение производства микросхем
функциональных унифицированных узлов для ПЭУ на РТ, в частности терморегулятора,
источника опорного напряжения, активной части генератора с выходным
усилителем.
26.21. Кварцевые генераторы на резонаторах-термостатах
Проектирование КГ на саморегулирующихся РТ с позисторным
нагревателем не вызывает проблем. Такие КГ предельно просты и технологичны в
производстве и при использовании стандартизованных РТ в корпусах типов Д и С
имеют нестабильность частоты порядка Ю-6 при энергопотреблении около 0,3 ...
...0,5 Вт, время установления частоты 3... 5 мин и объем 30... 40 см3. При ис-
365

пользовании миниатюрных РТ в металлических корпусах нестабильность
частоты составляет E... 10) · 10~6, а энергопотребление до 1 Вт, но объем КГ
составляет всего около 10 см3.
Высокостабильный КГ на РТ A0 МГц, АТ3) впервые описан в [26.51, 26.85,
21]. По мере совершенствования РТ улучшались и КГ на их основе,
приближаясь по стабильности частоты и шумовым параметрам к прецизионным ТС КГ.
Структурная схема функционально законченного блока прецизионного КГ
на базовом РТ E МГц, АТ5) показана на рис. 26.28 [26.42, 26.52]. Поскольку
наряду с опорной частотой 5 МГц широко используется частота 10 МГц, КГ
имеет два частотных выхода !. Частота 10 МГц получается удвоением частоты
5 МГц. По желанию потребителей эти КГ выполняются с одним из двух
частотных выходов. Активная часть генератора имеет буферный усилитель,
обеспечивающий работу выхода 5 МГц на низкоомную нагрузку E0 Ом) при
хороших спектральных характеристиках сигнала. Кроме того, активная часть КГ
подключена к входу удвоителя частоты.
Входящий в состав КГ прецизионный источник опорного напряжения
играет двоякую роль. Он обеспечивает опорное напряжение на внешний
потенциометр (на схеме не показан), которым с помощью варикапа осуществляется
электронная коррекция частоты КГ в процессе эксплуатации. Кроме того, он
обеспечивает стабилизированное питание, необходимое для других узлов КГ
(активной части, измерительного моста терморегулятора, удвоителя частоты).
Конденсатор С* и катушка индуктивности L* образуют технологический
корректор частоты, которым осуществляют настройку частоты КГ в процессе
изготовления. Терморегулятор с находящимися внутри РТ позисторными
нагревателем и датчиком температуры осуществляет стабилизацию температуры
ПЭ и варикапа. Для обеспечения высокой кратковременной стабильности
частоты, улучшения шумовых и спектральных характеристик выходного сигнала в
КГ использован пропорциональный терморегулятор с непрерывным подогревом
на постоянном токе, схема которого показана на рис. 26.29 [26.53].
Если в используемом РТ нагреватель должен питаться от источника с
напряжением 27 B4) В (через терморегулятор), то питание генератора
целесообразно разделить, как это показано на рис. 26.30. Напряжение от источника
27 В подается непосредственно на оконечный каскад терморегулятора. Все
остальные узлы КГ питаются от менее мощного, но более стабильного источника
напряжения 12 В (непосредственно или через входящий в КГ прецизионный
источник опорного напряжения). При этом сочетаются максимальная
экономичность КГ по потреблению, малая нагрузка на соответствующие источники пи-
1 Этот КГ выполняется также на другие частоты в диапазонах 4,9... 5,2 в
9,8 ... 10,4 МГц.
Рис. · 26.28. Структурная схема
прецизионного КГ на РТ с единым
питанием (+12 В) и частотами
выходного сигнала 5 и 10 МГц:
А1 — элементы электронного корректора
частоты (кроме варикапа); А2 —
активная часть генератора (с буферным
усилителем); A3 — источник опорного
напряжения; А4 — пропорциональный
терморегулятор; А5 — удвоитель высоты
366

Рис. 26.29. Принципиальная схема Рис. 26.30. Структурная схема пре-
пропорциоыального терморегулятора цизионного КГ на РТ с раздельным
для РТ с позисторным нагревателем питанием нагревателя (+????).·? ос-
/?н и отдельным позистором ¦—датчи- тальной части генератора { + Еп2).
ком R% Обозначения узлов А1-—Л4
соответствуют рис. 26.28
тания, высокая режимная и кратковременная стабильность частоты, поскольку
скачки напряжения источника 27 В безынерционно отрабатываются
пропорциональным терморегулятором (см. рис. 26.29). С разделенным (как показано на
рис. 26.30) питанием от источников 27 В и 12 В построен, в частности,
промышленный КГ на РТ среза СЦ [26.54].
Работа различных узлов КГ без термостатирования в широком интервале
температур усложняет их проектирование [26.55]. Более всего это относится
к активной части КГ, технологическому корректору частоты и источнику
опорного напряжения.
Высокостабильная схема активной части КГ, представляющая собой
вариант схемы Батлера с нелинейным ограничением тока через КР, описана в
[26.84]. Вносимая этой схемой (без термостатирования) нестабильность
частоты при работе с базовым РТ E МГц, АТ5) не более ±Ы0~8 в интервале
температур —60... +85 °С. Рассеиваемая на ПЭ мощность не превышает 5 мкВт.
Недостатком схемы является малый фактор регенерации, ограничивающий
сопротивление резонаторов значением 150 Ом. Кроме того, из-за отсутствия
избирательности схема неустойчива, если резонаторы имеют интенсивные побочные
резонансы, как, в частности, резонаторы среза СЦ, а также резонаторы среза
???, если их сопротивление для колебаний третьего обертона меньше, чем для
рабочего пятого.
Другой вариант построения нетермостатированной активной части
прецизионного КГ на КР среза ATs E МГц) — по схеме емкостной трехточки с
системой автоматической регулировки усиления описан в [21, 26.86]. Особенностью
устройства является выделение колебаний второй гармоники генерируемой
частоты, т. е. выходного сигнала 10 МГц. Нестабильность частоты, вносимая
данной схемой в широком интервале температур, мала [в интервале —60... +80 °С
составляет ± @,5 ... 1) · 10~8], что позволяет рекомендовать схему для
прецизионных КГ на соответствующих РТ среза AT наряду со схемой, приведенной в
[26.84].
Эффективным практическим руководством по схемотехнике КГ в целом
являются работы [21, 44—47]. Современный алгоритм автоматизированного
анализа схем прецизионных КГ представлен в [26.55].
367,71

Особенности конструкции генератора. При конструировании КГ на РТ
необходимо учитывать ряд противоречивых требований:
обеспечение минимальных габаритов при большом числе ИЭТ, входящих
в схему;
обеспечение стойкости к механическим воздействиям при невозможности
жесткого закрепления всех ИЭТ на печатных платах (из-за отсутствия
необходимой для этого площади на платах и невозможности крепления РТ
непосредственно к плате).
Надежность прецизионных КГ является одним из основных требований
современной РЭА и обеспечивается следующим комплексом мер:
выбором элементной базы ИЭТ с соответствующей долговечностью и
стойкостью к внешним воздействиям;
облегченными электрическими режимами работы ИЭТ (коэффициенты
нагрузки должны быть менее 0,5... 0,6 предельных значений электрических
режимов работы, установленных в ТУ);
смягчением механических и климатических воздействий на ИЭТ и другие
элементы в составе КГ (внутренняя герметизация, амортизация конструкции и
крепление ИЭТ посредством заливки);
предельным упрощением конструкции генератора;
выявлением и отбраковкой потенциально ненадежных генераторов на
этапе технологических испытаний.
Технологические испытания генераторов должны включать
электротренировку («прогон»), термоциклы, вибрации или удары. Их следует проводить с
непременным контролем параметров, определяющих надежность, — прежде всего
частоты и потребляемой мощности, а при необходимости также напряжения
выходного сигнала и опорного напряжения коррекции частоты. Рост потребления
может прямо свидетельствовать о нарушении вакуума в РТ из-за трещин в
баллоне или по другим причинам.
Отметим, что для обеспечения автономного контроля работы ТСС иногда
целесообразно предусматривать в конструкции КГ вывод напряжения на на»
гревателе РТ, как показано на рис. 26.30.
Одна из простых и надежных конструкций КГ на РТ с использованием
дискретных ИЭТ общего применения и печатного монтажа показана на рис.
26.31 [26.52]. Здесь жесткость конструкции в поперечном и вертикальном
направлениях обеспечивается каркасами 4, а в продольном направлений (вдоль
оси РТ) — печатными платами 6. Свободный внутренний объем генератора
заполнен пенопластом ПЭН-У, обеспечивающим надежное закрепление элементов
конструкции и эффективную защиту КГ от механических и климатических
воздействий.
Типовые характеристики КГ на прецизионных РТ с позисторными
нагревателем, датчиком температуры и пропорциональным терморегулятором
приведены в табл. 26.5.
Рис. 26.31. Конструкция КГ на резонаторе-термостате:
I __ рт; 2 — металлический экран; 3 — термокомпенсатор; 4 — каркас; 5 — основание; 6
печатные платы с ИЭТ; 7 —обечайка ; 8 ^~ крышка; 9 — крепящий винт; 10 г-:вывод
368

Таблица 26,5. Типовые параметры КГ на прецизионных РТ с позисторны»
нагревателем
Параметры КГ
ТНЧ, Х10-8, в интервале:
—10...+55°С
—60... +70 °С
Кратковременная нестабильность
частоты за 1 с, Af/f, ???-11
Спектральная плотность мощности
фазовых шумов, дБ/Гц, при отстройке:
1 Гц
5 Гц
20 Гц
1000 Гц
Мощность, потребляемая в
установившемся режиме, Вт
Стойкость к механическим
воздействиям:
вибрации, длительно:
диапазон частот, Гц
амплитуда ускорения, g
одиночные удары с ускорением, g
Объем, см3:
на дискретных ИЭТ общего
применения
в миниатюрном исполнении (на
гибридных микросборках и ИЭТ в мик-
рокорпусах)
Базовый РТ
5 МГц, АТ5 10 МГц, 5 МГц, СЦ3
±A<5...2)+5 +@,5...1)
±C...4) ±A0...15) ±A,5...2)
2...3 Ю... 20 0,4..-0,7
—90 ¦ _ —115
— 120 — — 130
— 132 _ —137 ,
-139 1 — | —144 гГ
0,40...0,60
?...2000
10
·;¦':¦ 500
55...100
1 50
Для современной РЭА во многих случаях очень важны не только
интегральные шумовые параметры выходного сигнала, но и дифференциальное
распределение уровня фазовых шумов при различных отстройках от несущей.
Типовые характеристики распределения относительной спектральной плотности
мощности фазовых шумов для различных КГ на РТ с пропорциональным
терморегулированием показаны на рис. 26.32 [26.54]. Переход со среза AT на
срез СЦ позволяет заметно снизить уровень фазовых шумов. При этом, как и
следовало ожидать, наиболее существенно снижается шум в самой ближней к
несущей зоне: при отстройке на 1 Гц — примерно на 25 дБ, при отстройке на
Рис. 26.32. Типовые зависимости
относительной спектральной плотности
мощности фазовых шумов S от
отстройки от несущей ?/ для КГ на
прецизионных базовых РТ с пози·
сторным нагревателем и
пропорциональным терморегулированием:
1, 2 —РТ среза АТ5, 5 МГц (/—для
/вых=5 МГ^ 2-Для /вых=10 МГц)
3 — РТ среза СЦ3> 5 МГц (/BbII*=5 МГц)
369

б Гц — на 10 дБ. К настоящему времени уровень фазовых шумов КГ на РТ
(особенно в ближней зоне до 100 Гц от несущей) удалось довести [26.54] до
присущего прецизионным малошумящим КГ с традиционным наружным термо-
статированием.
При использовании в КГ на РТ двухпозиционного (импульсного)
терморегулятора потребление на 100... 120 мВт меньше по сравнению со значениями,
приведенными в табл. 26.5, однако кратковременная нестабильность частоты б
5... 10 раз хуже.
Значительно сократить габариты КГ (по сравнению с указанными в табл
26.5) и одновременно реализовать минимальное время установления частоты
можно, используя миниатюрные РТ с пленочным нагревателем на ПЭ. Объем
КГ на таких РТ около 20... 25 см3, их потребление также мало — около 0,3 ??
[26.45, 26.46]. Недостатками таких КГ является узкий интервал рабочих
температур (—10 ... +55 °С) при температурной нестабильности частоты около 10~7.
В результате область применения этих, в некоторых случаях очень
эффективных, устройств ограничена [26.87, 26.88].
26.22. Технические характеристики основных типов РТ и ПЭУ
на их основе
В диапазоне частот 2 ... 10 МГц выпускается ряд типов РТ с
нестабильностью частоты порядка 10~6 ... 10*~8. Основные параметры промышленных РТ
широкого применения приведены в табл. 26.6, а РТ повышенной стабильности,
и прецизионных — в табл. 26.7. В порядке опытного производства в широком
диапазоне частот (от сотен килогерц до 200 МГц) выпускаются миниатюрные
РТ с саморегулирующимся позисторным нагревателем, кратко рассмотренные
в § 26.13.
Параметры высокостабильных КГ на базе РТ приведены в табл. 26.8. Все
они имеют корректор частоты, позволяющий подстраивать частоту в процессе
эксплуатации. Резонатор-термостат РК341 (см. табл. 26.7) и соответствующие
КГ ГК31-ТС, ГК34-ТС (см. табл. 26.8) выполнены на ПЭ среза СЦ, все
остальные типы — на ПЭ среза AT.
Кроме КГ, указанных в табл. 26.8, разработан и выпускается кварцевый
генератор ГК40-ТС, предназначенный для использования в аппаратуре
аварийных радиобуев (АРБ) международной спутниковой системы поиска и спасения
аварийных объектов КОС ПАС — САРСАТ. Генератор ГК40-ТС; имеет
номинальную частоту 5,012654 или 5,075312 МГц и выходной сигнал ТТЛ-типа. Он
полностью соответствует конвенционным требованиям к АРБ системы КОСПАС—-
САРСАТ, работающим на частоте 406,025 МГ4.; :
Основные параметры генератора ГК40-ТС:
Нестабильность частоты.за 15 мин, не более ЬЮ-9
Среднеквадратичесжое отклонение частоты от
ее линейно осредненного дрейфа, не более , МО-9
Кратковременная нестабильность частоты за
-. 100 мс для сигнала; АРБ на частоте
406,025 МГц, т. е. с учетом преобразований
сигнала в ВЧ-тракте АРБ, :,не более . ¦¦-.· , 1·10~9
Температурная нестабильность частоты, не ·
более . . . ·. ....·. . . : . " . ±Ы0~7 ·
Мощность, потребляемая от источника
питания, не более:
в- нормальных условиях ¦ 0,4 Вт
-¦ ,-.. .пр,и — 40°С . . . л :. . . . . .0,5 Вт (.
Напряжение питания . . ' . ... . . . 11... 18 В .
-.;;"\-, Габаритные размеры . \ . . . - . . 26,5x26,5x81,5 мм
'*¦¦¦ Масса, не более ,. . . 100 г ; ;"-„.¦¦
т

Таблица 26.6. Аараметры промышленных ?? широкого применения (среза AT)
Значения параметров
Параметры : · j— : -у ;
1 РК180ДГ-А 1 РК180ДГ-Б | РК180ДГ-В | РК257ДГ-А 1 РК257ДГ-Б 1, РК357СВ
Номинальная частота или дк- 4,096.. .5,184 4,096...5,184 2 2 2 6,4
апазон частот, МГц
Порядок колебаний 1 1 1 1 1 3
Напряжение питания
(постоянного тока)
¦номинальное значение, В 9 18 '12 ^ 12.,. 181 12
¦"-допустимые отклонения, % ±5 ±1 +25, —10 ±10 ±5 +25, —10
Интервал рабочих температур —60.. .+70 —60.. .+70 —60. . .+70 —50.. .+50 —50.. .+70 —40.. .+60
среды, °С
Стойкость к механическим воз- Г
действиям: ; <г «:»лг^ -
синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц 1...200 1...200 И...200 К. .200 1...200 1...200
амплитуда ускорения, g 5 5 5 10 10 5
удары с ускорением,'g 75 75 >" 75 75 75 75
Добротность, 103,-не менее 300 300 250 400 400 600
Температурная нестабильность ±3 ±1,5 ±12 ±2 ±0,352 ±12
частоты, ?///, Х10-6, в интер- (-60... ±7С°С) (~30...+60°С); (~10...+50°С); (-~50...+50°С) (—Ю...+50°С); ("Ю...+50°С);
вале, указанном в скобках, не ±3 ±3 ±1 ±3
более (~60/..+70°С) +-~60...+70°С) (~50.„+70°С) (—40...+60°G)
Нестабильность частоты от ±1,5 ±1,5 ±1 ±1 ±1 ±0,5
полкой совокупности механи- :
чёеких и климатических воз-
действий, Af/f, ?10~6, не бо
лее [.; '
Долговременная нестабиль- l· ._. _
ность частоты, ?///, ?10, не ? - · ы ·? ; ?; :
более:
за указанный интервал вре- ±1 A мес) ±1 A мес) ±1 E00 ч) ±1 E00 ч) ±1 E00 ч) ±0,5 E00 ч)
'мени
со- за весь срок службы с уче- ±Ъ A0 лет) ±5 A0 лет) ±5 A0 лет) ±5 A2 лет) ±5 A2 лет) ±3,5 A0 лет)
^? том всех ВВФ i I I I I I

??? Окончание табл. 26.6
Значения параметров
Параметры = ¦ ¦ — -
| РК180ДГ-А 1 РК180ДГ-Б [ РКД80ДГ-В | РК257ДГ-А 1 РК257ДГ-Б | РК357СВ
Мощность, потребляемая на- ¦
гревателем в установившемся !
режиме, Вт, не более:
в нормальных условиях2 0,25 0,25 0,25 0,20 0,25 0,15
при пониженной температу- 0,40 0,45 0,55 I 0,45 0,50 0,30
ре среды (—30°С) (—30°С) (—40°С) I (—50°С) (—50°С) (—40°С) -
Максимальный ток, потребляе- 0,55 0,85 0,652 0,252 0,852 0,50
мый в период выхода на
режим, А, не более
Максимальное время установ- 10 ' \& 7; 3,54 15 7; 3,54 2,54
ления частоты с точностью ;
±1·10~6 (при пониженной ра- :
бочей температуре средыK,
мин, не более
Наработка, ч, не менее 15 000 15 000 15 000 15 000 15 000 15 000
Максимальные размеры, мм:
( диаметр 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 19
... высота (без выводов) 43 43 43 43 43 41
Масса, г, не более 20 | 20 I 20 I 20 [ 20 15
Цоколевка выводов /, 6—ПЭ; 3, 4 ~ нагреватель5; 2, 7 — геттер64 /, 5—ПЭ; 3,7—
• нагреватель5;
'¦-¦'. ' 1 · hf 6 — геттер6
- 1 Конкретное значение напряжения указывается в паспорте на РТ.
2 Справочное значение или норма.
3 В нормальных условиях время установления частоты в 1,5 ... 2 раза меньше.
4 Для установления частоты с точностью ±3·10-6.
5 Температура статирования поддерживается саморегулирующимся позисторным нагревателем.
6 Выводы геттера у потребителей РТ должны быть изолированы.

Таблица 26.7. Параметры промышленных РТ повышенной стабильности и прецизионных
Значения параметров
Параметры ¦—: —¦ : =
^ 1 РК292ДГ 1 РК191ДГ | РК178 | РК325 | РК341 1 КРТ-1 («Сонет»)
Номинальная частота или ди- 6,144 10 4,900.. .5,208 5 5 10
апазон частот, МГц D,900.. .5,208)
.Срез AT AT AT AT СЦ AT
Порядок колебаний 3 3 5 5 3 5
Напряжение питания ТСС:
.номинальное значение, В 15±3Г 12,6 12A2,6) 12 27 12
допустимые отклонения, % ±5. ±10 ±10 ±10 ±20 +25, —15
Интервал рабочих темпера- —50...+60 —50...+60 —60... +70 —60...+70 —63... +75 —10... +55
тур, °С
Стойкость к механическим
воздействиям:
синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц 1.. .200E000J 1...500 1...2000 1...2000 1...200Э 25
амплитуда ускорения, g 5 D0J 10 10 10 10 5
удары с ускорением, ?':
многократные 15 A50J 100 40 40 40 15
одиночные 75 500 500 500 500 -
Добротность, Q, ХЮв, не ме- 0,7 0,3 1,5 1,5 1,9 0,75
нее
Температурная нестабильность
частоты, ?///, ??0_?, не
более:
в интервале -10 ... +55 ±33 ±5* ±2,53 ±2*> ±0,6 + 10*
( + 50) °С
в интервале, указанном в +100 ±10 ±5 ,±^5 , „„„„, г1''5 , „ —
скобках (-50...+60°С) (-50...+60°С) (-60...+60°С); (-60.,.+60°С); (-60...+70°С);
—5 +100 ±3,5» —4...+1,5
(+70°С) (—6О...+70°С); (+75°С)
ео ±18-55
3 '·¦¦¦·-..'¦¦'¦¦ ·¦ :·? I (~60...+70°C) [ |

^Продолжение табл. 26.7
Значения параметров
Параметры — : ; :—¦— : ¦ ·—
¦ 1 РК292ДГ I РК191ДГ 1 РК178 | РК325 | РК341 1 КРТ-1 (« Сонет»)
Нестабильность частоты от ±5 ±2 ±1,5 ±1,5 ±0,75 —
полной совокупности
механических и климатических воз- h ; :
действий, ?///, ХЮ-7, не бо- ; .
лее
Долговременная нестабиль- '
ность частоты, не более: И
за сутки, Л///, ХЮ-8 — ±2^ ±0,5^ ±0,5 ±0,3 ±2
за 6 мес,-?///, Х10~7 — ±26 +1 ±1 ±0,757; ±18 ±0,89
за год, ?/7/, ??? ±8lp. ±3" ±U5» ±lu; ±1,5 ±17; ±1,510 ±19
полная за весь срок службы ±10 ±10 ±5 ±5 ±3 —
с учетом всех ВВФ, A2 лет) 1A5 лет) A5 лет) A5 лет) A5 лет)
?///, Х10-7 !
Мощность, потребляемая на- ; :
гревателем в установившемся
режиме, Вт, не более: ..:..,,,
в нормальных условиях 0,25з 0,20* 0,13 0,11 0,11 0,1812
при пониженной температу- 0,50 0,40 0,30 0,25 0,25 0,304
ре, указанной в скобках .(-50°С) (-50°С) (-60°С) .(-60°С) (~-60°С) (—10°С)
Максимальный ток, потреб- 1 0,55 0,45 0,45 0,95 0,06*
ляемый в период выхода на
режим, А, не более .
Максимальное время
установления частоты, мин, не более l· ' ;
(в скобках указана понижен- \
ная температура среды13): \ , .
с точностью ±Ь Ю-' 4 \f< \f , . \f ¦ 1,5з _
с точностью ±Ы0-7 - 10 Ю 10 2°; 3* 1,5
с точностью ±5-Ю-8 — — 12 ' 12 45; 5- —
с точностью н-2-10~8 — — —¦ — 10 —
"" (—50°С) (—50°С) (—60°С) (—60°С) (—60°С) (—Ю°С)
Наработка, ч, не менее 1.10 000, 40 000*1 15 000 I 15 000 | 40000 I 40 000 | 10000

Окончание табл. 26.7
Значения параметров
Параметры -—— ; ; : :
V ¦ | РК292ДГ 1 РК19ЩГ I РК178 ] РК325 1 РК341 | КРТ-1 («Сонет»)
Размеры, мм, не более I I I I I I
диаметр 22,5 22,5 22,5 22,5 22,5 10,16
j максимальная высота (без 43 -\ 43 49,2 49,2 49,2 36
выводов)
Масса, г,'.не более 20 20 20 20 20 3,2
Элементы'генератора, термо- .^- — — Варикап Варикап —
статиронанные в РТ (кроме 2В116А-1 2В116А-1
ПЭ)
Элементы термостатирую'щей
системы: * j "; \ I I I
нагреватель '' Позисторный (несколько элементов СТ6-1 Б-1) Пленочный на
ПЭ
термодатчик !? Позистор СТ6-1Б-1 Терморезистор
СТ1-18
терморегулятор внешний) Отсутствует I Пропорциональный, рекомендуемая схема на рис. 26.29 [26.53] Пропордио-
"..-·. (саморегули- | I j нальный
рующийся
нагреватель)
Цо ко Левка выводов:
льезоэлемент 1,6 ·,*, \ 1,6 4,9 4,9 4,9 1 >5
нагреватель , 3,4 / 3,4 1,6 1,6 1,6 2,6
; термодатчик ~~* \ 3,8 \ 1,3 1,3 \ 1,3 1 $7
варикап, катод ~~" —¦ — # \ 8 —
варикап, анод '¦ '* * — — ' — 9 \ 9 —
; геттер I 2,7 I 2,7 | 2,7 | 2,7 [2,7 I —
1 Конкретное значение напряжения указывается в паспорте на РТ.
2 Допускается в амортизаторах, указанных в 1У на резонатор-термостат.
3 Справочное значение или норма.
4 Норма на генератор в целом, см. табл. 26.8.
5 Норма для различных модификаций РТ.
6 При наработке 8 ч в сутки (или 1500, ч за 6 мес и 3000 ч в год),
7 При наработке 4 ч в сутки (или 750 ч за б мес и 1500 ч в год).
8 За первые 50G0 ч наработки, в непрерывном режиме.
9 При наработке 1 ч в сутки. '" *
10 За первые 10 000 ч наработки в непрерывном режиме.
11 После 30 сут предварительного «прогона».
^ п С учетом потерь схемы терморегулятора.
?? ? В нормальных'условиях у всех типов РТ соответствующие времена установления частоты в 1,5 ... 2 раза меньше указанных в таблице.

е?> Таблица 26.8. Параметры основных промышленных типов высокостабильных КГ на РТ
| Значения параметров
Параметры ГК27-ТС
«Янтарь-2» j— ГК31-ТС «Сонет» ГК34-ТС
I I 5 МГц | 10 МГц 1 I |
Номинальная частота или диа- МО 5 10 5 10 I 5
_ пазон частот, МГц D,9. ..5,2) | (9,8... 10,4) I
Форма выходного сигнала sin sin sin sin ТТЛ
Напряжение питания:
номинальное значение, В 12,6 12 12; 271 12 5; 12; 271
допустимые отклонения, % +10 ±10 ±Ю2 +25; —15 +5; ±102
Повышенная рабочая темпера- —J-63 +70 +70 +55 +75
тура, °С
Пониженная рабочая темпе- —50 —60 —60 —10 —60
: ратура, °С
Воздействие повышенной от- 10 56 56 2 56
носительной влажности (до
98... 100% при 35 ... +40 °С),
Стойкость к механическим
воздействиям:
синусоидальная вибрация:
диапазон частот, Гц 10...120 1...2000 1...2000 25 1...2000
амплитуда ускорения, g 6 10 10 5 10
удары с пиковым
ускорением, g:
многократного действия 100 40 40 15 40
одиночного действия — 500 500 — 500
Температурная нестабильность
частоты, ?///, XIО-8, не более:
в интервале —10...+55 °С — ±2,5^ +1 104 ±1з
в интервале, указанном в ±15 ±5 (—60.. .+60°СM; ±2,5 — ±2,55; ±55
скобках (-50...+63°С) ±5 (-60.. .+70°СM; (-60...+70°С) (—60... +75°С)
+20 (—60...+70°СM I I I

Продолжение табл. 26.S
Значения параметров ^
Параметры I ГК27-ТС
,·'¦'' «Янтарь-2» ? ГК31-ТС «CoHtT» ГК34-ТС
___ J 1 5 МГЦ 1 10 МГц | 1 I
Нестабильность частоты от из- +5 +1 ±0,2 —6 +1
менеН'ИЙ напряжения литания,
Af/7, ???"8, не более ·
Нестабильность частоты от ±2,5 ±1,5 ±0,75 — ±1
полной совокупности
допускаемых механических и
климатических воздействий, ?///, \
Х10~7, не более ¦¦'..'"
Долговременная
эксплуатационная нестабильность частоты
без коррекций, не более: ·
за сутки, Л//Д Х10-9 ±20з ±5 ±3 ±20 ±5
за 6 мес, ?///, ?10~7 ±2,57 ±1 ±0,758; ±19 ±0,810 ±1
за год, ?///, Х10-7 ±3,57 ±1"; ±1,5 ±18; ±1,512 ±Н° +1,5
полная, за весь срок службы ±10 ±5 (за 15 лет) ±3 — ±5
с учетом всех ВВФ, (за 7 лет) (за 15 лет) (за 15 лет)
¦ ?/tf, Х10-7,
Пределы перестройки (коррек- ±15 ±5 ±4 ±4 ±5
ции) частоты, ?///, ХЮ-7, не
менее
Выходное напряжение, мВ, на 300±100 165±40 I 225±50 225±75 250^25° ЦТЛ Ш °ТТЛ-
указанной в скобках внешней E0 Ом) E0 Ом) E0 Ом) E0 Ом) ,?5 0мч Шоттки мик*
нагР^зке росхем)
Ослабление гармонических со- — 30 I 35 35 ?: — 1
ставляющих (выходного сигна- 1(
ла, дБ, не-менее ~ ; --+ i'ii-?-' . ., г ¦.; г ;Г~";: ;
Кратковременная «естабиль- 503 |5 _-..., .,.._ |-.j5 ; .._1_... .1 1 ..10 1
cor ность частоты за 1 с, ?///, | ¦-¦¦* 1
^ Х101, не более | | | | I 1

^ Продолжение табл. 26.8
'Ob ' '
Г Значения параметров
¦У'·' Параметры i ^ ГК27-ТС
«Янтарь-2» - ГК31-ТС «Соиет» ГК34-ТС
' 1 I 5 МГц 1 10 МГц 1 \ |
Паразитное отклонение часто- — 0,10 0.2О — 0,60 —
ты в полосе 300 .. 3400 Гц? Гц >
:не более
Паразитное отклонение фазы I — 0,075 0,075 — 0,60 —
в полосе 30... 3400 Гц, град,
не более
Относительная спектральная
плотность мощности фазовых :
шумов.'дВ/Гц3, при отстройках ' " ''
i Гц — ~~90 -82 -115 — —
2 Гц — —105 · —100 —123 — —
5 Гц · ? ' — —120 —113 —130 — —
10 Гн — —126 —120 —134 — —
100 Гц ' .'. - -138 —133 —141 - ~~
1000 Гц - -139 -135 -143 - -
5000 Гц — -140 -136 -144 - -
Мощность, потребляемая в
установившемся режиме, Вт, не ?
болеем I I I I 1 I
в нормальных условиях при 0,453 0,55 0,60*з — 0,55*з
пониженной, температуре ере- 0,65(-50°С) ; 0,65(-60°С> 0,70Ч»(-60°С) 0,30(~-10°С) 0,70*з(-60°С)
ды, указанной в скобках ¦ _.. Л ««,.,,
Максимальный (пиковый) ток, 0,55 0,50 0.951* 0,06 0.951*
потребляемый в период
выхода на режим, А, не более ;ti и - \*
Максимальное время установ- '?:1'д"' *"
ления частоты (при пошшем-
ной рабочей температуре
среды15), мин, не более: "" .
с точностью ±1«10~6 И3 I . . . 4* 1 li53 I ~~ I *»

Окончание табл. 26.8
|___ Значения параметров
¦" ' Параметры ' ГК27-ТС
«Янтарь-2» : ГК31-ТС «Сонет» ГК34-ТС
.1; | _ J 5 МГц 1 10 МГц 1 |__ |
с точностью =fcl> 10—т 10 ¦¦' \ 10 3 : 2 25; З5
с точностью ±5·10~8 — " , 12· "; ;; 5 — 45; 5?
с точностью НЬ2-Ю~8 —¦ I " ; — 10 —¦ —
Наработка на отказ, ч, ,не ме- 10 000 ; · 40 000 40 000 10 000 40 000
нее
Габаритные размеры, мм 58?59?29; 63?53?29,5 63?53?29,5 24?44?22 81,5?26,5?
55x28x32,516 ?26,5
Масса,.г, не более 15Q3; 10О16 200 200 25 100
Тип базового РТ (см. табл. РК191ДГ РК325 РК341 КРТ-1 («Со- РК341
26.7) лет»)
1 Напряжение источника 27 В подается на оконечный каскад терморегулятора (допускается питание от источника 24 В). Остальная
часть генератора ГК31-ТС питается от источника 12 В, генератора ГК34-ТС — от источников 5 и 12 В.
2 Для источника 27 В допустимы длительные повышения напряжения до 33 В и понижения до 21 В, кратковременные E с) скачки до
45 В и аварийные падения до 17 В. Для ГК.34-ТС допустимая нестабильность источников 5 и 12 В составляет ±5%.
3 Справочное значение или норма.
' 4 Нсрма на величину нестабильности частоты (?///)» учитывающая, кроме температурной нестабильности частоты (А/ь//), также
нестабильность частоты от воздействий изменения напряжения питания (?/2//), повышенной влажности (?/3//) и вибрационных нагрузок (?/4//),
4
Среднее квадратическое значение ?/// вычисляется по результатам испытаний генератора по формуле ?///= ( ? (?/^·//JI/2 [81].
1 = 1 L ' >;- -
Ориентировочно температурная нестабильность частоты составляет ±7-10—8 [26.46]. >ч ":; .-.т. .·
5 Норма для различных модификаций КГ.
6 Входит в общую норму Ы0-7, указанную для температурной нестабильности частоты, см Л
7 При наработке 8 ч в сутки (или 1500 ч за 6 мес. и 3000 ч за год).
; 8 При наработке 4 ч в сутки (или 750 ч за 6 месяцев и 1500 ч за год),
9 За первые 5000 ч наработки в непрерывном режиме. ;
10 При наработке 1 ч в сутки, :
11 После 30 сут предварительного «прогона»,
12 За первые 10 000 ч наработки в непрерывном режиме. -·, , —'
13 Суммарное потребление КГ по всем цепям питания. ¦ В том числе: от источника 12 В не более 0,25 Вт, от источника 5 В (?<34-?0?
не более 0,05 Вт.
14 От источника 27 В; от других источников потребление постоянно, см 13.
15 В нормальных условиях у всех КГ соответствующие времена установления частоты в 1,5 ... 2 раза меньше указанных.
со 16 Миниатюрная модификация генератора.
<?> —:—, ; ¦.—, . _—__—

Шиведенные выше параметры стабильности частоты обеспечиваются чере>
15 мин после включения питания при температуре окружающей среды от —40
до +60 °С и скорости изменения температуры до 9°С/ч.
По согласованию генераторы ГК40-ТС могут быть изготовлены и на
другие частоты в диапазоне 4,9... 5,2 МГц и могут быть использованы для иных
радиотехнических систем с требованиями, подобными требованиям системы
КОСПАС — САРСАТ.
Кроме указанных в табл. 26.8, потребители РТ выпускают для собственных
нужд широкую номенклатуру КГ на основе РТ, приведенных в табл. 26S и 26.7.
Основные параметры полосового фильтра ФП2П1-284, построенного на РТ,
аналогичном РК191ДГ (см. табл. 26.7), приведены ниже.
Параметры полосового фильтра ФПП-284
Номинальная частота 10 МГц
Напряжение питания постоянного
тока 12±1,2 В
Входная и выходная напр узки . . 50 ±5 Ом
50 ? ? (не более)
Нижняя и верхняя частоты ореза по
уровню 3 дБ . 9999952 ... 9999965 Гц
10000035... 10000048 Гц
Ширина полосы пропускания по
уровню 3 дБ Не более 90 Гц
Вносимое затухание «а номинальной
частоте 10 МГц ...... Не более 1,5 дБ
Нижняя (/сз) и верхняя (fa) час-
; тоты среза по уровню 20 дБ соот-
: ветственно Не менее 9999550 Гц
Не более 10000450 Гц
Ширина полосы пропускания по
уровню 20 дБ Не более 900 Гц
Гарантированное затухание в полосе
задерживания от 9990000 Гц до /сз
и от /с4 до 10010000 Гц . . . Не менее 20 дБ
Мощность, потребляемая в
установившемся режиме ..... Не более 0,75 Вт при
—60°С, 0,55 Вт при — 10°С
Время установления параметров с
; ¦ ¦ момента включения ..... Не более 5 мин при —60°С,
3 мин при —10°С
Примечание. Допустимые механические и климатические воздействия,
а также размеры соответствуют генератору ГК27-ТС (см. табл. 26.8).
Опыт серийного производства РТ имеет небольшое число предприятий. Эти
же предприятия на РТ выпускают КГ и КФ опорных частот 5 и 10 МГц: КГ
типов ГК27-ТС, ГК31-ТС, ГК34-ТС и «Сонет»; КФ типа ФП2П1-284.
Генераторы ГК27-ТС, кроме опорных частот 5 и 10 МГц, по заказам заинтересованных
предприятий выполняются также на другие частоты, в частности: 4,9152 МГц;
5,012654 МГц; 5,115 МГц; 5,120 МГц; 5,184 МГц; 9,8304 МГц; 10,23 МГц
и ДР-
По выпуску РТ среза AT с 1980 г. накоплен более чем десятилетний
производственный опыт. Опыт серийного выпуска РТ и КГ на ПЭ среза СЦ
меньше. Предприятия, выпускающие РТ, обычно охотно принимают на них
заказы, поставляя как РТ, так и указанные выше КГ потребителям.
При оформлении заказов на рассматриваемые изделия потребители
должны учитывать продолжительность их технологического цикла с момента
запуска в производство: 2,5 ... 3 мес для простых саморегулирующихся РТ, 4 ... 5 мес.
для прецизионных РТ и 5 ... 6 мес. для прецизионных КГ. В случае
значительного расширения объема производства необходимо время на его подготовку,
главным образом на изготовление контрольно-измерительного оборудования. В
этой части целесообразно участие заинтересованных предприятий-потребителей.
380

26.23. Меры предосторожности при обращении с РТ
Исходя из специфики РТ, следует руководствоваться приведенными ниже
указаниями.
1. Минимальное сопротивление позисторного нагревателя в период
разогрева составляет 20 ... 25 Ом. Эту нагрузку следует учитывать при выборе
источника питания и построении терморегулятора.
2. Статическая ошибка терморегулятора не должна превышать величины.,
допустимой для данного типа РТ.
Следует помнить, что нерегулируемая мощность, рассеиваемая на
термодатчике РТ, приводит к перегреву, который при повышенной температуре среды
может отключать терморегулятор, вызывая значительные изменения частоты
Рассеиваемая на датчике мощность не должна вызывать перегрев термостати-
руемого узла более чем на 1 ... 2 °С.
3. Недопустима проверка вакуума в РТ искровым течеискателем. Это
может привести к порче его функциональных элементов. Остаточное давление
газа в РТ менее 10~4 мм рт. ст., поэтому электрический разряд не возникает,,
и характерное свечение отсутствует.
4. Запрещается подавать (в том числе кратковременно) напряжение на
газопоглотитель РТ.
5. При монтаже РТ следует строго руководствоваться электрической схемой
соединения выводов с его функциональными элементами, т. е. цоколевкой,
которую изготовитель указывает в паспорте на РТ. Какие-либо ошибки здесь
недопустимы.
6. Соединение РТ с внешними цепями следует осуществлять посредством
пайки к его выводам гибких проводников, в том числе к жестким выводам РТ.
Пайка гибких проводов к жестким выводам РТ в корпусах типов Д и С
допускается:
на расстоянии не менее 4 мм от основания РТ;
при температуре паяльника не выше 250 °С;
при времени пайки не более 5 с.
Повторная пайка допускается после остывания вывода от предыдущего;
нагрева.
7. Запрещается изгибать жесткие выводы РТ.
8. Механическое крепление РТ в аппаратуре должно осуществляться
только за корпус с помощью хомутов, стяжек, обхватов и т. п.. а также заливкой
полимерными материалами (желательно — пенопластом ПЭН-У). При
несоблюдении условия крепления за корпус стойкость к механическим воздействиям не
гарантируется.
9. Рекомендуется устанавливать РТ ? аппаратуре в местах наименьших ее
перегревов, например у внешних кожухов или в зонах хорошей вентиляции,
26.24, Рекомендации но применению и заказу изделий
Для надежной РЭА с повышенными требованиями к стабильности частоте
(порядка Ю-7 и лучше) и шумовьш параметрам, предназначенной для работы
в жестких условиях эксплуатации с малым энергопотреблением, наиболее
эффективны прецизионные РТ с позисторным нагревателем в стеклянных
корпусах типа Д и соответствующие КГ на них (см. табл. 26.7, 26.8).
Для массовой РЭА со стабильностью частоты порядка 10_б при жестких
условиях эксплуатации, когда важное значение приобретают такие факторы,
как простота технологии, низкие трудоемкость и стоимость, а также
доступность комплектации, рекомендуются простейшие унифицированные РТ,
работающие в режиме позисторной автотермостабилизации, без внешних устройств
управления подогревом (см. табл. 26.6). Условиями, ограничивающими их
применение, здесь являются потребление 0,2... 0,5 Вт, время установления частоты*
после включения 2 ...5 мин и габариты корпусов типов Д и С.
381

При мягких ¦ ВВФ,. уровне стабильности частоты порядка Ю~7 и таких
определяющих требованиях, как малые энергопотребление, время установления
частоты и габариты, следует применять КГ на РТ с пленочным нагревателем
на ПЭ в миниатюрных стеклянных корпусах типа 3 (см. табл. 26.7, 26.8).
^Если к РЭА предъявляются жесткие требования по габаритам и масса
стойкости к интенсивным механическим и климатическим воздействиям, но
приемлемы нестабильность частоты порядка 5·10~6 и потребление около 1 Вт,
следует ориентироваться на применение миниатюрных саморегулирующихся РТ
с позисторным нагревателем в металлических корпусах с полимерной
теплоизоляционной оболочкой.
При заказе серийных и вновь разрабатываемых РТ, а также КГ на их
основе не следует завышать требования к стабильности частоты и жесткости
условий эксплуатации по сравнению с действительно необходимыми для. РЭА.
Завышение требований по жесткости условий эксплуатации и надежности
часто формально исходит из стремления к получению унифицированных изделий
с наиболее широкой областью применения.
Прецизионные РТ и КГ на них являются сложными и дорогостоящими
изделиями частного применения. Их нельзя рассматривать как обычные
компоненты РЭА и распространять на них правила приемки, принятые для
массовых ИЭТ.
Потребителям РТ следует учитывать ограниченные возможности
изготовителей по обеспечению производства специализированным
контрольно-измерительным оборудованием и по возможности изготовлять его самим. Это
существенно ускорит освоение новых РТ и их поставку.
26.25. Возможности улучшения характеристик
резонаторов-термостатов
Недавние прогнозы ограничивали температурную стабильность частоты
РТ величиной порядка <10~7 [75]. Создание же прецизионных КГ на РТ со
стабильностью частоты выше указанной считалось маловероятным и всерьез не
рассматривалось [21]. Однако уже в середине 1980-х годов нормы по
стабильности частоты РТ были улучшены примерно в 5 раз. Резко улучшились и
другие показатели качества РТ, например время установления частоты с точностью
10~7 сократилось с 10 до 2 мин, потребляемая мощность — с 0,5 до 0,2 Вт,
кратковременная нестабильность частоты КГ (за 1 с) —с .3·10~10 до 1-10~и.
Еще недавно потребители рассматривали РТ как особо сложные изделия,
пригодные для решения частных задач. В настоящее время имеется их
серийное производство; они стали вполне доступными изделиями и широко
используются в различной РЭА. Преимущества РТ очевидны еще л потому, что
они освободили потребителей от забот применения и изготовления наружных
термостатов. Производство РТ продолжает расширяться, их параметры
улучшаются, разрабатываются и осваиваются в производстве новые более
совершенные модели. Высокостабильные КГ на РТ стали привычными, составили
особый вид ТСКГ.
Улучшение стабильности частоты и других параметров РТ может быть
достигнуто в результате следующих мероприятий:
улучшения теплоизоляции термостатируемого узла;
г улучшения конструкции и технологии ТСС;
использования ПЭ двухповоротных срезов (СЦ, ТД и др.);
улучшения технологий монтажа, очистки и герметизации конструкции;
сочетания систем прямого и косвенного нагрева ПЭ;
размещения в термостатируемом узле РТ элементов другого
функционального назначения, входящих в состав КГ и влияющих на стабильность частоты
последнего.
В ближайшие годы возможно появление на рынке
генераторов-термостатов — сложных гибридных ПЭУ на базе РТ, у которых внутри корпуса
размещены все элементы КГ и ПЭ. Это может существенно уменьшить габариты КГ
и улучшить стабильность частоты.
382

Литература к разделу 26
26.1. Вороховский Я* Л., Грузиненко В. Б., Петросян И. Г. Кварцевый
резонатор-термостат с саморегулирующимся позисторным нагревателем//Электрон-
ная техника. Сер. 5.— 1977 —Вып. 3B2). —С. 18—29.
26.2. Ингберман М. И., Фромберг Э. М., Грабой Л. П. Термостатирование
в технике связи.—М.: Связь, 1979.— 144 с.
26.3. Кейн В. М. Конструирование терморегуляторов. — ? · Сов. радио,
1971. —152 с.
26.4. Певзнер В. В. Прецизионные регуляторы температуры. — М: Энергия,
1973. —192 с.
26.5. Pichl ?. Aufbau hochwertiger Thermostate fur Quarzoszillaioren//Inter-
nationale Elektronische Rundschau. — 1971. — Bd. 25. — Nr. 10. — S. 249—251.
26.6. Brekenfeld H. Aspekte zu Prazisionsthermostaten fur Quarzoszillatoren//
Feingeratetechnik. — 1975. — Bd. 24. — H. 2. — S. 72—76.
26.7. Глушицкий И. В. Расчет теплообмена в бортовой аппаратуре
летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1976.— 152 с.
26.8. Дульнев Г. Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. — Л.:
Госэнергоиздат, 1963.—288 с.
26.9. Дульнев Г. Н., Семяшкин Э. М. Теплообмен в радиоэлектронных
аппаратах.—Л.: Энергия, 1968.— 360 с.
26.10. Пат 2607818 США Thermostatically Controlled Crystal Unit/H. K.
Richards.
26.11. А. с. 135296 СССР. Кварцедержатель для термостатируемых пьезо-
кварцевых элементов/Б. Г. Преображенский, С. К. Ященков. Опубл. 1961, Бюл
№ 2.
26.12. А, с. 191247 СССР. Кварцедержатель для термостатируемых пьезо·
кварцевых элементов/Б. Г. Преображенский. — Опубл. 1967» Бюл. № 3.
26.13. Преображенский Б. Г. Кварцедержатель для термостатируемых
пьезокварцевых резонаторов//Электронная техника. Сер. IX. — 1968. — Вып.4. —
C. 90—92.
26.14. Пат. 2660680 США. Crystal Temperature Control Means/L. F. Koerner.
26.15. Пат. 1097574 Великобритании. Improvements in or Relating to
Temperature Controlled Crystal Ovens/Tokyo Denpa Co., Ltd.
26.16. Кварцевые резонаторы со встроенными проволочными подогревателя-
ми/Е. Я. Самков, П. П. Павлов, А. А. Ефименко, В. В. Симонов/'/Вопросы
радиоэлектроники: Сер. ТРТО. — 1977. — Вып. 1 B7). — С. 101 — 111.
26.17. А. с. 166745 СССР. Пьезоэлектрический резонатор с нагревательным
элементом/П. Г. Поздняков, Э. Г. Маркосян.— Опыбл. 1964, Бюл. № 23.
26.18. Пат. 3204621 США. Thermally Stabilized Crystal Units/C. S. Milner.
26.19. Пат. 1062059 Великобритании. Quartz Crystal Temperature Control/
D. Kerr.
26.20. Пат. 3431392 США. Internally Heated Crystal Devices/W. J. Garland,
L. J. Hassencahl, D. D. Lenhart, G. Wolfe.
26.21. Tinta F. G., Matistic A. S., Lagasse G. A. The Direct Temperature
Control of Quartz Crystals in Evacuated Enclosures//Proc. 24-th ASF.C. —
1970. —P. 157—167.
26.22. Поздняков. П. Г., Федотов И,. ?., Бирюков В. И. Кварцевые
резонаторы с пленочными нагревателями//Электронная техника. Сер. IX.— 1971.—
Вып. 4. —С. 27—37.
26.23. А. с. 391544 СССР. Термостат для кварцевых резонаторов/С. И. Лас-
совик, Г. Г. Грачев, Н. И. Сизов и др. — Опубл. 1973, Бюл. № 31..
26.24. Greenhouse ?. ?., McGill R. L., Clark DP. A Fast Warm-up Quartz
Crystal Oscillator//Proc. 27-th ASFC. — 1973. — P. 199—217.
26.25. A. c. 476665 СССР. Тёрмостабилизированный пьезоэлектрический
резонатор/Б. А. Соколов, Я. Л. Вороховский, И. Г. Петросян и др. — Опубл,
1975, Бюл. № 25.
26.26; Пат. 147168 ЧССР. Termostatovana piezoelektricka krystalova jednot-
ka s oscilatorem/V. Havelka, J. Pavlovec. ?
383

26.27. Влияние варисторного эффекта на стационарный тепловой режим по-
зисторного термостата/Я. Л. Вороховский, А. А. Волков, В. И. Горохов и др.//
Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.— 1975, — Вып. 2. — С. 80—88.
26.28. Температурно-варисторные характеристики позисторов/Я. Л.
Вороховский, А. А. Волков, В. И. Горохов и др./Приборы и системы управления. —
1977. — № 2.— С. 28—29.
26.29. А. с. 555386 СССР. Термостат для кварцевых резонаторов/А. А.
Волков, Я. Л. Вороховский, А. В. Гробов и др. — Опубл. 1977, Бюл. № 15.
26.30. А. с. 568044 СССР. Термостат/Я. Л. Вороховский, А. А. Волков.
?. ?. Смирнов. — Опубл. 1977, Бюл. № 29.
26.31. Вороховский Я. Л., Шапиро М. В, Переходные характеристики
кварцевых резонаторов-термостатов на базе саморегулирующихся позисторных эле·
ментов//Электронная техника. Сер. 5. — 1977.— Вып." 3B2).— С. 30—42.
26.32. Волков ?. ?., Вороховский Я. Л., Соколов Б. А. Импульсный
метод экспериментального исследования температурно-варисторных характеристик
позисторов//Электронная техника. Сер. 5. — 1977.— Вып. 6B5). —С. 48—52.
26.33. Вороховский Я. Л., Шапиро М. В. Температурно-варисторные
характеристики позисторных элементов СТ6-1Б, СТ6-4Б и СТ6-1Б-1 в широком
диапазоне температур//Электронная техника. Сер. 5. — 1977.— Вып. 6B5).— С.
53—60.
26.34. Волков ?. ?., Вороховский Я. Л. Экспериментальное исследование
теплопроводности полупроводниковых материалов для терморезистивных эле-
ментов//Электронная техника. Сер. 5. — 1977. — Вып. 6B5). — С. 61—64.
26.35. Вороховский Я. Л. Резонатор-термостат с двухступенчатым термоста-
тированием пьезоэлемента на базе саморегулирующегося позисторного нагрева-
теля//Электронная техника. Сер. 5. — 1978. — Вып. 1 B6) — С. 68—76.
26.36. Вороховский Я. Л., Волков ?. ?., Грузикенко В. Б. Интегральное
.пьезоэлектрическое устройство — генератор-термостат/Электронная техника.—
Сер. 5. — 1978. — Вып. 5 C0). — С. 58—61.
26.37. Вороховский Я. Л., Грузикенко В. Б., Петросян К. Г. Управление
зоной термостабилизации резонатора-термостата с саморегулирующимся позистор-
5ным нагревателем//Электронная техника. Сер. 5.— 1979. — Вып. 6C7).—-С. 48—
55.
26.38. А. с. 830345 СССР. Устройство для регулирования температуры//
Л. Г. Борисов, Г. Г. Морданов, Я. Л. Вороховский и др. — Опубл. 1981,
Бюл. № 18.
26.39. А. с. 851352 СССР. Терморегулятор/А. А. Волков, Л. А. Лейбович,
В. М. Кейн и др. —Опубл. 1981, Бюл. № 28.
26.40. А. с. 920657 СССР. Устройство для регулирования температуры./
Л. Г. Борисов, А. А. Волков, Я- Л. Вороховский. — Опубл. 1982, Бюл. № 14.
26.41. Кварцевые резонаторы-термостаты/Волков ?. ?., Вороховский Я- Л„
Петросян И. Г., Трошин И. С.//Электронная промышленность. — 1984. — Вып.
1 A29).— С. 64—66.
26.42. Интегральные устройства пьезоэлектроники с внутренним термоста-
тированием/Я. Л. Вороховский, В. Б. Грузиненко, А. В. Золотов, ?. ?. Ле-
пешкин//Электронная техника, Сер. 5.— 1987. — Вып. 3F8). — С. 52—56.
26.43. Теренько В. С, Багаев В. П. Влияние локального нагрева на
частоту круглых пьезоэлементов с колебаниями сдвига по толщине//Электронная
техника. Сер. 5.—1978.— Вып. 1 B6). —С. 34—37.
26.44. Иванов ?. ?., Теренько В. С, Тихомиров В. Г. К вопросу
проектирования кварцевых микрогенераторов//Техника средств связи. Сер. ТРС. —
1979. — Вып. 10 B7). —С. 31—34.
26.45. Иванов ?. ?., Теренько В. С, Тихомиров В. Г. Кварцевый резонатор—
термостат с прямым термостатированием пьезоэлемента//Электронная техника.
Сер. 5.— 1983.—Вып. 1 E0). — С. 76—78.
26.46. Вопросы конструирования унифицированных опорных кварцевых
генераторов для аппаратуры связи III и IV поколений/С. В. Тихомирова, А. Н. Ди-
¦ киджи, В. А. Киреев и др.//Техника средств связи. Сер. ТРС. — 1983. — Вып.
10 C1). —С. 103—108.
384

26.47. А. с. 1105946 СССР, Способ изготовления тонкопленочных терморезис-
торов/Н. И. Алексеева, А. Н. Дикиджи, М. И. Ярославский и др. —Опубл. 1984
Бюл. № 28.
26.48. Тонкопленочные терморезисторы для кварцевой стабилизации часто-
ты/Н. И. Алексеева, В. В. Бахтинов, А. Н. Дикиджи и др.//Тез. докл. 1-й
областной науч.-техн. конф. — Омск. Изд. ОмПИ, 1983. — С. 43—44.
26.49. Разработка микроэлектронной технологии производства кварцевых ре-
зонаторов-термостатов/Н. И. Алексеева, В. В. Бахтинов, А. Н. Дикиджи и др.//
Техника средств связи. Сер. ТРС. — 1983. — Вып. 10C1). —С. 109—114.
26.50. Высокостабильные тонкопленочные терморезисторы, полученные с
помощью магнетронного распыления/Н. И. Алексеева, В. В. Бахтинов, А. Н.
Дикиджи и др.//Эдектронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиоксмпокенты. —
1986.— Вып. 1 F2). —С. 31—33.
26.51. Чернядьев А. Д., Лассовик С. И,, Альтшуллер Г. Б. Проектирование
экономичных высокостабильных кварцевых генераторов на резисторах-тер-
мостатах//Техника средств связи. Сер. ТРС. — 1978. — Вып. 4B0). — С. 150—
158.
26.52. Построение высокостабильных экономичных малогабаритных
кварцевых генераторов с малым временем установления частоты на резонаторах-термо-
статах/А. А. Волков, Я. Л. Вороховский, Б. Г. Драхлис и др.//Электронная
техника. Сер. 5.— 1987. —Вып. 4 F9). —С. 59—64.
26.53. Вороховский Я. Л., Драхлис Б. Г. Выбор и построение
терморегулятора для резонатора-термостата прецизионного кварцевого
генераторам/Электронная техника. Сер. 5. — 1987. — Вып. 2 F7). —С. 67—70.
26.54. Вороховский Я. Л., Драхлис Б. Г., Кожемякин К. Г. Прецизионные
малошумящие кварцевые генераторы с малым временем установления частоты
на резонаторах-термостатах срезов AT и 5С//Электронная техника. Сер. 5. —
1989. — Вып. 3 G6). — С. 49—53.
26.55. Драхлис Б. Г., Кожемякин К. Г. Алгоритм машинного анализа
кварцевых генераторов, основанный на приведении электронной схемы генератора к.
эквивалентному трехполюснику //Электронная техника. Сер. 5. — 1989. — Вып.
2 G5). —С. 64—66.
26.56. Jackson ?. W. Tactical Miniature Crystal OsciIlator//Proc. 34-th
ASFC. — 1980. — P. 449—456.
26.57. Stali ?., Brunei M. An Ultra Stable Crystal Oscillator for Beacons·
Program «SARSAT»//Proc. 37-th ASFC— 1983. —P. 454—458.
26.58. Broun D. Manufacturing Methods and Technology for Tactical
Miniature Crystal Oscillator//Proc. 38-th ASFC— 1984. —P. 380—386.
26.59. Product Guide: Tokyo Denpa Co., Ltd. — 1976.— 1979.
26.60. Thermostatisierter Schwingquarz TQ 02/Information N 139.112.0, 1979.—
AEG — Telefunken. Geschaftsbereich Hochirequenztechnik.
26.61. OCXO//Microwave J. — 1983. — Vol. 26. — N 7. — P. 53—67.
26.62. Опорный генератор «Сонет». Техническое описание и инструкция по
эксплуатации. — Омск. ПО «Прибор», 1985. — 16 с.
26.63. Кварцевый резонатор-термостат с резистивным или транзисторным
нагревателем/А. Н. Дикиджи, Н. И. Алексеева, В. В. Бахтинов, В. Г. Тихоми-
ров//Тез. докл. III областной научн.-техн. конф. «Проблемы радиосвязи,
стабилизации частоты и акустоэлектроники». — Омск.: Изд. ОмПИ, 1987. — С. 38—39.
26.64. Вороховский Я. Л., Золотов А. В., Спивак С. X. Сверхузкополосные
кварцевые фильтры на резонаторах-термостатах//Электронная техника. Сер. 5.
Радиодетали и радиокомпоненты. — 1989. — Вып. 2G5). — С. 57—60.
26.65. Поздняков П. Г., Федотов И. М. Тепловое зондирование
колеблющихся пьезоэлектрических пластин//Доклады АН СССР. — 1972. — Т. 205, № 6. —
С. 1339—1342.
26.66. Ивлев Л. Е., Дикиджи А. Н. Влияние нестационарного теплового
режима на частоту прецизионных кварцевых резонаторов//Электронная
техника. Сер. IX. — 1968. — Вып. 4. — С. 12—21.
26.67. Багаев В. П., Теренько В. С. Электрическая поляризация кварцевых
линз среза АТ//Вопросы радиоэлектроники. Сер. III — 1965, — Вып. 2. — С.
41—49.
385

26.68. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — Новосибирск:
Наука, 1970. — 660 с.
26.69. Попов В. Ф. Нераспыляемые газопоглотители. — Л.: Энергия, 1975.—
204 с.
26.70. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. — М.: Мир, 1975.—
936 с.
26.71. Теплотехнический справочник/Т. 2. Под общ. ред. В. Н. Юренева и
П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1976.— 896 с.
26.72. Штерн Э. Т. Об эффективности использования сосудов Дьюара для
теплоизоляции малогабаритных кварцевых термостатов//Электронная техника.
Сер. IX.— 1968.— Вып. 3. — С. 90—95.
26.73. А. с. 970336 СССР. Термостат/С. А. Петров.— Опубл. 1982, Бюл.
№ 40.
28.74. Петров С. А. Применение параметрической термостабилизации в
высокостабильных кварцевых генераторах//Техника средств связи. — Сер. ТРС. —
1983. — Вып. 10C1). —С. 97—102.
26.75. ОД О 359.011 ТУ. Газопоглотитель ПЦ-1М. Технические условия.
26.76.-Шефтель И. Т. Терморезисторы.—М.: Наука, 1973.—416 с.
26.77. Текстер-Проскурякова Г. Н., Шефтель .И. Т. Азтостабилизирующие по-
зисторы//Электронная промышленность. — 1975. — № 7. — С. 64—65.
26.78. ОЖО. 468.187 ТУ. Терморезисторы прямого подогрева СТ6-1Б-1 и
СТ6-2Б. Технические условия.
26.79. Шефтель И. Т., Текстер-Проскурякова Г. Н., Александрова. А. К.
Стабильность позистогюв промышленных типов//Электронная техника. Сер. 5.—
1984. — Вып. 3. —С. 25—29.
26.80. Боидаренко Е. В., Кравец Э. Ф., Красина В. И. Оценка влияния
окружающей среды на стабильность полупроводниковых терморезисторов-датчиков
температуры//Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО. — 1972. — Вып. 2. — С.
60—63.
26.81. Барфут Дж. Введение в физику сегнетоэлектрических явлений. — М:
Мир, 1970. — 352 с.
26.82. Sabarl О., Wakfno К. Processing Techniques and Applications of
Positive Temperature Coefficient Thermistors//IEEE Transactions on Component
Parts. — 1963. — June. — Vol. CP-10. — N 2. — P. 53—67.
26.83. Andrkh E. PTC — Thermistoren als selbstregelnde Heizelemente//
Schweizerische Technische Zeitschrift. — 1971. — Bd. 68. — H. 12. —S. 250—255.
26.84. Гончаров Ю. ?., Липко С. И., Дмитриев А. Ф. Высокостабильный
кварцевый генератор.—-В кн.: Микроминиатюризация электронной аппаратуры.—
М.: Изд. ЦНИИР1 и ТЭИ. — 1985. — С. 62—64.
26.85. Лассовик С. И., Чернядьев А. Д., Альтшуллер Г. Б.
Высокостабильный опорный кварцевый генератор «Янтарь-2»//Передовой
производственно-технический опыт. Сер. Т9. —1982, —№ 82. — С. 11—12.
26.86. Прецизионные опорные генераторы для подвижных средств связи/
B. А. Яхонтов, А. Д. Чернядьев, С. И. Лассовик и др.//Техника средств связи.
Сер. ТРС — 1978. — Вып. 7 B3). — С. 133—121.
26.87. Тихомиров В. Г., Дикиджи А. Н., Куталев А. И. Конструирование и
технология изготовления миниатюрных кварцевых генераторов для аппаратуры
связи IV—V поколений/Дехника средств связи. Сер. ТРС — 1988. — Вып. 6. —
C. 32—40.
26.88. Вибропрочный термостатированный кварцевый генератор с временем
выхода на режим менее одной минуты/Н. Б. Толмачева, М. В. Бояринцев,
А. И. Просецкий, И. М. Федотов/Передовой промышленно-технический опыт.
Сер. Х9.~ 1988. — № 8. — С. 37-38.
386

Список литературы
1. Справочник по кварцевым резонаторам/В. Г. Андросова, В. Н. Банков,,
А. Н. Дикиджи и др./ Под ред. П. Г. Позднякова. — М.: Связь, 1978.— 288 с.
2. Buchanan J. P. Handbook of piezoelectric crystals for radio equipment
designers/Carpenter Litho & Prtg. Co., Springfield. — 1957.— P. 692.
3. Желудев И. С. Электрические кристаллы. — ?.: Наука. 1979,-200 с.
4. Кэди У. Пьезоэлектричество и его практические применения: Пер. с англ.
под ред. А. В. Шубникова. — М.: Изд. ИЛ, 1948,-718 с.
5. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультра
акустике/Пер. с англ. под ред. А. В. Шубникова и С. Н. Ржезкина "— ? — JL:
Изд. ИЛ, 1952.— 447 с.
6. Смагин А. Г. Прецизионные кварцевые резонаторы. — М.; Изд. стандартов,
1964, — 239 с.
7. Смагин А. Г. Пьезоэлектрические резонаторы и их применение. — М.*
Изд. 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, изготовление и
применение кварцевых резонаторов. — М.: Энергия, 1971.— 168 с.
10. Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты.— М.: Связь, 1974.—
272 с.
11. Альтшуллер Г. Б. Управление частотой кварцевых генераторов.— М.:
Связь, 1975.— 304 с.
12. Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона: Пер. с англ. — М.: Мир,
1966. —Т. 1. —Ч. А.— 592 с.
13. Физическая акустика/Под ред. У. Мэзона: Пер. с англ. — М.: Мир, 1973.
Т. 5. — 332 с.
14. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергоатомиздат, 1989.—¦
272 с.
15. Мартынов В. ?., Райков П. Н. Кварцевые резонаторы. — М.: Сов.
'радио, 1976.— 64 с.
16. Шубников А. В. Кварц и его применение. — М. — Л. Изд. АН СССР,
1940, 194 с.
17. Плонский А. Ф.? Медведев В. ?., Якубец-Якубчик Л. Л. Транзисторные
автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках
кварца.— М.: Связь, 1969. —208 с.
18. Шитиков Г. Т., Цыганков П. Я., Орлов О. М. Высокостабильные
кварцевые автогенераторы. — М.: Сов. радио, 1974. — 376 с.
19. Зеленка Й. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и
поверхностных волнах: материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешек./
Под ред. И. С. Реза. — М.: Мир, 1989. — 560 с.
20. Великий Я. И., Гельмонт 3. Я-, Зелях Э. В. Пьезоэлектрические
фильтры. — М.: Связь, 1966. — 396 с.
21. Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые
генераторы. Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1984. —232 с.
22. Альтшуллер Г. Бм Елфимов Н, Н., Шакулин В. Г. Экономичные
миниатюрные кварцевые генераторы. — М.: Радио и связь, 1979. — 160 с.
23. Лавриненко В. В. Пьезоэлектрические трансформаторы. — М.: Энергия,
1975.—112 с.
24. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезоэлектрические твердые схемы. —
М.: Энергия, 1971. — 168 с.
25. Новинский Н. И., Шапиро М. И. Радиопередающие устройства. Учебное
пособие. — Воронеж: Центрально-черноземное изд-во, 1968. — Ч. 2. — 288 с.
387

26. Шитиков Г. Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых
волн. — М: Радио и связь, 1983.— 256 с.
27. Окадзаки К. Пособие по электротехническим материалам: Пер. с япон.
под ред. Л. Р. Зайонца. — М.: Энергия, 1979. — 432 с.
28. Семиглазов А. М. Кварцевые генераторы. — М.: Радио и связь, 1982 —
88 с.
29. Ерофеев ?. ?., Данов Г. ?., Фролов В. Н. Пьезоэлектрические
трансформаторы и их применение. — М.: Радио и связь, 1988.— 128 с.
30. Короткина М. Р. Электромагнитоупругость. — М: Изд. МГУ.— 1988. —
304 с.
31. Плонский А. Ф., Теаро В. И. Пьезоэлектроника — М.: Знание, 1979,—
64 с.
32. Кантор В. М. Монолитные пьезоэлектрические фильтры. — М.: Связь,
1977.-152 с.
33. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки
сигналов/В. В. Дмитриев, В. Б. Акпамбетов, Е. Г. Бронников и др. — М.: Радио
и связь, 1985. — 176 с.
34. Bottom V. ?. Introduction to Quartz Crystal Unit Design/New York, Van
Nostrand, Reinold Co. — 1982. — 265 p.
35. Wstep do piezoelektroniki/Pod kierunkiem W. Solucha/Warszawa, WKL. —
1980.— 350 s.
36. Goiewinska В., Kjimek Gr., Resonatory i Generatory kwarcowe//Warszawa,
WKL.— 1979.— 355 s.
37. Tichy J„t Gautschi G. Piezoelektrische Messtechnik//Physikalische Grund-
lagen. — Berlin: Verlag Springer, 1980.— 257 s.
38. Filtry Piezoelectriczne. Praca sbiorowa pod kirunkiem W. Solucha, Wars-
jzawa, WKL, 1982.— 231 s.
39. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры/А. Г. Алексенко,
С. С. Бадулин, Л. Г. Барулин и др. Под ред. Б. Ф. Высоцкого, — М.: Сов.
радио, 1977. — 377 с.
40. Радиоприемные устройства/Под ред. Л. Г. Барулина. — М.: Радио и связь,
1984.— 272 с.
41. Магазанник А. А. Управление частотой генераторов с кварцевой стаби-
лизацией//В сб. Управляемые кварцевые генераторы и возбудители. Сер.
Техника связи. — М.: Связьиздат, 1955.— С. 5—132.
42. Лапицкий Е. Г., Семенов А. Н., Сосновкин Л. Н. Расчет диапазонных
радиопередатчиков. — Л.: Энергия, 1974.— 270 с.
43. Капранов М. В., Кулешов В. Н., Уткин Г. М. Теория колебаний в
радиотехнике. — М.: Наука, 1984.— 320 с.
44. Parzen В. Design of Crystal and other Harmonic Oscillators. Wiley and
Sons. —New York, 1983. —454 p.
45. Matthys R. Crystal Oscillator Circuits. Wiley and Sons. — New York. —
1983. —233 p.
46. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Пер. с англ. под ред.
М. В. Гальперина. —М.: Мир, 1982^ Т. 1,-538 с.
47. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное
руководство: Пер. с нем. под ред. А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. —512 с.
48. Precision Frequency Control/Ed. ?. ?. Gerber, A. Ballato, Academic Press
Inc.—1985. —Vol. 1 and 2.-588 p.
49. Рез И. С, Поплавко Ю. ?. Диэлектрики. Основные свойства и
применение в электронике. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.
Публикации МЭК
50. 122-1 A976, 1979). Стандартизованные величины и условия проведения
испытаний.
51. 122-2 A983, 1985). Руководство по применению кварцевых
резонаторов для стабилизации и выделения частоты.
52. 122-3 A977, 1980). Стандартизованные размеры и соединения
выводов. ... ,:, . ;;.
388

53. 283 A968, 1970). Методы измерения частоты и эквивалентного
сопротивления нежелательных резонансов фильтровых резонаторов.
54. 302 A969, 1972). Стандартизованные определения и методы измерения
пьезоэлектрических резонаторов, работающих в диапазоне частот до 30 МГц.
55. 314 A970, 1971). Термостабилизирующие устройства для кварцевых
резонаторов.
56. 314А A971, 1973). Термостабилизирующие устройства для кварцевых
резонаторов. Первое дополнение к публикации 314 A970).
57. 368 A971, 1973). Пьезоэлектрические фильтры.
58. 368-1 A982, 1984). Пьезоэлектрические фильтры. Общие сведения,
стандартизованные величины и условия проведения испытаний. Часть 1.
59. 368А A973, 1976). Пьезоэлектрические фильтры. Первое дополнение к
публикации 368.
60. 368В A975, 1978). Пьезоэлектрические фильтры. Второе дополнение к
публикации 368.
61. 368-3 A979, 1982). Пьезоэлектрические фильтры. Стандартизованные
габаритные размеры.
62. 368-ЗА A981, 1983). Пьезоэлектрические фильтры. Первое дополнение
к публикации 368-1 A982).
63. 444 A973, 1975). Основной фазовый метод измерения резонансной
частоты и эквивалентного последовательного сопротивления кварцевых
резонаторов в П-образном четырехполюснике.
64. 444-2 A980, 1982). Измерение параметров кварцевых резонаторов
фазовым методом в П-образном четырехполюснике. Часть 2.
65. 444-3 A986, 1987). Измерение параметров кварцевых резонаторов
фазовым методом в П-образном четырехполюснике. Часть 3.
66. 483 A976, 1978). Руководство по динамическим измерениям
параметров резонаторов из пьезоэлектрической керамики с высоким коэффициентом
электромеханической связи.
67. 642 A979, 1981). Пьезокерамические вибраторы и резонаторы для
стабилизации и выделения частот.
68. 679-? A980, 1983). Генераторы кварцевые. Часть 1. Общие сведения,
условия и методы проведения испытаний.
69. 679-2 A981, 1983). Генераторы кварцевые. Часть 2. Руководство по
применению кварцевых генераторов.
70. 758 A983, 1984). Кристалл синтетического кварца. Технические
условия на кристалл, руководство по применению синтетического кварца.
71. 680 A980, 1982). Методы измерений и испытаний кварцевых
резонаторов для электронных наручных часов на частоту 32 кГц и
стандартизованные величины их параметров.
72. 68 A964). Основные климатические и механические испытания
элементов радиоэлектронной аппаратуры. Части 1 и 2.
73. 368-2-1 A988, 1989). Пьезоэлектрические фильтры. Часть 2.
Руководство по применению пьезоэлектрических фильтров. Раздел 1. Кварцевые
фильтры.
Государственные стандарты
-L- 74. ГОСТ 18669—73. Резонаторы пьезоэлектрические. Термины и
определения.
75. ГОСТ 21712—83. Резонаторы пьезоэлектрические. Основные параметры.
76. ГОСТ 23546—84. Резонаторы кварцевые. Общие технические условия.
77. ГОСТ 27124—86. Резонаторы пьезоэлектрические
производственно-технического назначения и для бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Основные
параметры.
78. ГОСТ 18670—84. Фильтры пьезоэлектрические и электромеханические.
Термины и определения.
79. ГОСТ 21281—82. Фильтры пьезоэлектрические. Основные параметры.
80. ГОСТ 22866—77. Генераторы кварцевые. Термины и определения.
81. ГОСТ 25960—83. Генераторы кварцевые высокостабильные опорной
частоты. Основные параметры и технические требования.
389

82. ГОСТ 25467—82. Изделия электронной техники. Классификация по
условиям применения и требованиям по стойкости к внешним воздействующим
факторам.
83. ГОСТ 20397—82. Фильтры пьезоэлектрические. Классификация и
система условных обозначений.
Отраслевые стандарты
84. ОСТ 11 338.819 — 82. Резонаторы пьезоэлектрические. Классификация и
система условных обозначений.
85. ОСТ 11 338.810—88. Резонаторы пьезоэлектрические. Основные
размеры.
86. ОСТ И 0Д0 338.010—78. Резонаторы кварцевые. Руководство по
применению.
87. ОСТ 11 аЦ0,338.004—73. Резонаторы кварцевые. Схемы соединений
электродов с выводами.
88. ОСТ 11.338.804—80. Резонаторы кварцевые. Методы измерения
параметров. Общие положения,
89. ОСТ 11 338.808—81. Резонаторы кварцевые. Методы измерения
динамических параметров контрольных образцов.
90. ОСТ 11 338.816—82. Резонаторы кварцевые. Методы измерения
ослабления нежелательных резонансов,
91. ОСТ 11 338.815—82. Резонаторы кварцевые. Методы измерения темпе-
ратурно-частотных характеристик.
92. ОСТ 11.0161.3—86. Резонаторы пьезоэлектрические. Методы измерения
динамического сопротивления в интервале температур.
93. ОСТ 11.0380—86. Резонаторы пьезоэлектрические. Методы измерения
рассеиваемой мощности.
94. ОСТ 11 0Д0 338.012—78. Элементы кварцевые кристаллические.
Условные обозначения срезов.
95. ОСТ 11070.852—82. Система показателей качества продукции.
Изделия пьезоэлектроники и фильтры электромеханические. Номенклатура
показателей.

РЕКЛАМА
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
??? И ГК2
Предназначены для применения в быстродействующей цифровой
электронной аппаратуре различного назначения в качестве источника
электрических сигналов, совместимых с ТТЛ-логикой, в частном случае
в персональных ЭВМ.
Основные параметры
Номинальная частота:
ГК1 10; 12; 12,288; 14,318; 16; 16,257;
20; 24; 25,172; 28,332; 30; 32;
32,514; 40 МГц
ГК2 1,8432 МГц
Уровни выходных сигналов на нагрузке
в 1 кОм, 15 пФ ?/°вых>3,5 В; U°Bblx<0,5 В
Длительность фронта:
ГК1 <5 не
ГК2 < 100 не
Интервал рабочих температур . . . —10...+70°С
Напряжение питания 5 ±0,5 В
Потребляемый ток <50 мА
Суммарное относительное отклонение
частоты от номинального значения от
всех дестабилизирующих факторов в
течение срока службы 12 лет, не более ±0,02 %
Габаритные размеры 19,5??4,5?? мм
JVlacca . 5 г
Технические требования на генератор могут быть изменены по
требованию заказчика.
Наши адреса:
: 111250, Москва, НИИ Приборостроения (калькодержатель)
Телефон: 273-96-63;
302018, Орел, Орловский завод им. 60-летия Октября (изготовитель)
Телефоны:
отдел сбыта: 9-05-85,
по техническим вопросам: 9-53-14.

РЕКЛАМА
ЗАВОД «МОРИОН» И СКБ
Кварцевые резонаторы-термостаты (РТ)
и генераторы на их базе
Это эффективные пьезоэлектронные приборы для современной РЭА.
Они характеризуются высокими стабильностью частоты и надежностью,
малыми энергопотреблением, временем установления частоты и
габаритами, стойкостью к жестким внешним воздействующим факторам, а
также отсутствием традиционных устройств наружного термостатирования
или схемотехнической термокомпенсации кварцевых резонаторов.
Основные параметры (на 1991 г.)
Диапазон рабочих частот . 2,0... 16,384 МГц
Нестабильность частоты:
эксплуатационная . 10~б... 10~8
за сутки . . ........ 5Ю~10
кратковременная за 1 с Ю-11
Время установления частоты . . . . . 1,5... 5 мин
Номинальное напряжение питания . . . . 12... 27 В
постоянного тока
Потребляемая мощность ....... 0,1... 0,5 Вт
Интервал рабочих температур . ... ·. —60 ...+70G5) °С
Стойкость к ударам с ускорением ...... 500 g
Стойкость к длительным вибрациям с
ускорением 10 g
Объем РТ . . 10... 15 см3
Объем генератора ......... 55 ... 100 см3
Срок службы . . . ¦- 15 .*. 20 лет
Совмещение в рамках одного предприятия исследований, разработок
и специализированного серийного производства обеспечивает высокое
качество и быстрое освоение производства приборов. Имеется
положительный опыт их эксплуатации во многих комплексах ответственной РЭА.
Приборы получили высокую оценку на 45-м Симпозиуме по стабильности
частоты в США A991 г.),
ПРЕДЛАГАЕМ:
поставки серийных РТ и генераторов на их базе (см. табл. 26.6 —
26.8 настоящего справочника, кроме РТ «Сонет», генераторов «Янтарь-2»
и «Сонет»);
поставки опытных образцов разрабатываемых прецизионных
генераторов на опорные частоты 6,4 МГц и 16,384 МГц;
разработки новых и модернизацию серийных приборов по Вашим
заказам.
Приглашаем Вас к сотрудничеству!
Наш адрес: 199155 Ленинград, пр. Кима, 13а, завод «Морион».
Телетайп: 121054 Раскат.
Телефоны:
по поставкам серийных приборов: 350-78-95, 350-78-07, 350-11-70;
по техническим вопросам, опытным образцам и новым разработкам:
?50-72-90, 350-77-68.