Что такое нагрузочная емкость кварцевого резонатора
Параметры кварцевых резонаторов
Параметры частоты
Номинальная частота – частота Fн, указанная на маркировке или в документации на кварцевый резонатор (измеряется в МГц или кГц).
Базовая частота – реальная частота резонатора Fо, измеренная в заданных условиях эксплуатации. Как правило, определяются только климатические условия, а именно базовая температура окружающей среды То, (равная 25± 2°С для резонаторов со срезом типа АТ).
Рабочая частота – реальная частота резонатора F, измеренная в реальных условиях эксплуатации (климатических, механических и электрических). Обычно определен только допустимый диапазон изменения рабочей температуры.
Точность настройки частоты – максимально допустимое относительное отклонение базовой частоты резонатора от номинальной частоты. Определяется по формуле (1).
Температурная нестабильность частоты
Относительное отклонение рабочей частоты резонатора от базовой частоты. Определяется по формуле (2).
Может быть представлено в виде зависимости от рабочей температуры T, в соответствии с формулой (3) для кварцевых пластин с типом среза АТ и формулой (4) для кварцевых пластин остальных типов.
Долговременная нестабильность частоты (старение) – систематическое изменение базовой частоты с течением времени из-за внутренних изменений в кварцевом резонаторе. Параметр старения задается как относительное изменение базовой частоты за заданный промежуток времени. Это значение выражается в частях миллиона за год (например, 3 ppm / year ). Уход частоты под влиянием старения в максимальной степени сказывается в течение первых 30 – 60 дней эксплуатации, после чего влияние этого фактора уменьшается.
Режим работы резонатора (номер гармоники)
Например, кристалл может работать на основной частоте 10 МГц, или в нечетных гармониках приблизительно 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон) и 70 МГц (седьмой обертон).
Параметры температуры
Базовая температура – Температура окружающей среды То, для большинства резонаторов равная 25± 2°С, при которой выполняются измерения определенных параметров кварцевого резонатора (в частности, значения базовой частоты).
Диапазон рабочих температур – Диапазон температур, для которого производитель гарантирует, что максимальное отклонение рабочей частоты от номинального значений не выходит за пределы заданного допуска.
Диапазон предельных температур – Диапазон температур, в котором резонатор сохраняет работоспособность, но отклонение частоты от номинала может выходить за пределы, гарантируемые производителем.
Диапазон температур хранения – Диапазон температур, в котором кварцевый резонатор может находиться в режиме хранения (то есть, в состоянии отсутствия колебаний). После окончания хранения резонатора и обеспечения температуры в пределах рабочего диапазона (в течение некоторого отрезка времени), резонатор может использоваться в режиме колебаний, причем при этом будут гарантироваться все указанные производителем параметры.
Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Электрические параметры
Эквивалентная схема кварцевого резонатора – представляет собой электрическое описание кварцевого резонатора, работающего на резонансной частоте. Эквивалентная схема кварцевого резонатора представлена на рисунке 1. С0 – шунтирующая емкость. R1, L1 и С1 – соответственно динамическое сопротивление, динамическая индуктивность и динамическая емкость. Динамические параметры представляют собой соответствующие эквиваленты резонатора как электромеханической системы и определяются, в основном, характеристиками среза кварцевого элемента.
Шунтирующая емкость C0 – Емкость между выводами кристалла. Измеряется в пикофарадах. Шунтирующая емкость складывается из паразитной емкости кварца, емкости области электродов кристалла и емкости, вносимой кристаллодержателем. Шунтирующая емкость имеет значение порядка единиц пФ.
Динамическое сопротивление R1 – Параметр, характеризующий энергетические потери в колебательном контуре. Динамическое сопротивление R1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от нескольких Ом до сотен кОм в зависимости от частоты резонанса, номера гармоники и ряда конструктивных факторов. Часто обозначается как эквивалентное последовательное сопротивление ESR.
Динамическая индуктивность L1 – Параметр, характеризующий эквивалент массы в колебательном контуре. Динамическая индуктивность L1 кварцевых резонаторов изменяется в интервале от тысяч Гн для резонаторов низких частот до нескольких мГн для высокочастотных резонаторов.
Частота резонанса F – частота, определяемая в соответствии с формулой (5)
Емкость нагрузки СL
Рис. 2. Согласование емкости нагрузки
Измеренное или вычисленное значение емкости, включенной параллельно с кварцевым резонатором. Резонансная частота кварца, включенного в реальную электрическую цепь, будет изменяться в некоторых пределах при разных значениях емкости нагрузки. Для упрощения взаимодействия заказчиков и производителей резонаторов практикуется настройка резонаторов при определенном значении нагрузочной емкости. В этом случае измеренная частота должна соответствовать номинальной с учетом указанной точности настройки.
Например, для емкости нагрузки равной 16 пФ имеем
Уровень управления (drive level)
Обычно определяется как мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором. Минимальное значение этого параметра определяется количеством энергии, необходимой для нормального запуска резонатора и обеспечения устойчивых колебаний. Однако повышенное значение этого параметра может вызвать ухудшение параметров старения и механические повреждения кристалла.
Что такое нагрузочная емкость кварцевого резонатора
Источники питания электронной аппаратуры, импульсные и линейные регуляторы. Топологии AC-DC, DC-DC преобразователей (Forward, Flyback, Buck, Boost, Push-Pull, SEPIC, Cuk, Full-Bridge, Half-Bridge). Драйвера ключевых элементов, динамика, алгоритмы управления, защита. Синхронное выпрямление, коррекция коэффициента мощности (PFC)
Обратная Связь, Стабилизация, Регулирование, Компенсация
Организация обратных связей в цепях регулирования, выбор топологии, обеспечение стабильности, схемотехника, расчёт
Первичные и Вторичные Химические Источники Питания
Li-ion, Li-pol, литиевые, Ni-MH, Ni-Cd, свинцово-кислотные аккумуляторы. Солевые, щелочные (алкалиновые), литиевые первичные элементы. Применение, зарядные устройства, методы и алгоритмы заряда, условия эксплуатации. Системы бесперебойного и резервного питания
Высоковольтные выпрямители, умножители напряжения, делители напряжения, высоковольтная развязка, изоляция, электрическая прочность. Высоковольтная наносекундная импульсная техника
Электрические машины, Электропривод и Управление
Электропривод постоянного тока, асинхронный электропривод, шаговый электропривод, сервопривод. Синхронные, асинхронные, вентильные электродвигатели, генераторы
Технологии, теория и практика индукционного нагрева
Системы Охлаждения, Тепловой Расчет – Cooling Systems
Охлаждение компонентов, систем, корпусов, расчёт параметров охладителей
Моделирование и Анализ Силовых Устройств – Power Supply Simulation
Моделирование силовых устройств в популярных САПР, самостоятельных симуляторах и специализированных программах. Анализ устойчивости источников питания, непрерывные модели устройств, модели компонентов
Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, BJT, IGBT, SCR, GTO, диоды). Силовые трансформаторы, дроссели, фильтры (проектирование, экранирование, изготовление), конденсаторы, разъемы, электромеханические изделия, датчики, микросхемы для ИП. Электротехнические и изоляционные материалы.
Интерфейсы
Форумы по интерфейсам
все интерфейсы здесь
Поставщики компонентов для электроники
Поставщики всего остального
от транзисторов до проводов
Компоненты
Закачка тех. документации, обмен опытом, прочие вопросы.
Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир
Обсуждение Майнеров, их поставки и производства
наблюдается очень большой спрос на данные устройства.
Встречи и поздравления
Предложения встретиться, поздравления участников форума и обсуждение мест и поводов для встреч.
Ищу работу
Предлагаю работу
нужен постоянный работник, разовое предложение, совместные проекты, кто возьмется за работу, нужно сделать.
Куплю
микросхему; устройство; то, что предложишь ты 🙂
Продам
Объявления пользователей
Тренинги, семинары, анонсы и прочие события
Общение заказчиков и потребителей электронных разработок
Обсуждение проектов, исполнителей и конкурсов
Выбор кварцевого резонатора
Какие кварцевые резонаторы подходят для тактирования микроконтроллеров Миландр? Каковы их особенности? Как рассчитать номиналы емкостей по плечам OSC_IN и OSC_OUT?
Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью специальных фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень трудно.
Пример: возьмем кварцевый резонатор с частотой в 10 МГц. Тогда можно возбудить колебания на обертонах 30 МГц (третий обертон), 50 МГц (пятый обертон), 70 МГц (седьмой обертон) и максимум 90 МГц (девятый обертон)
Распространённые схемы с двумя инверторами, используемые для тактирования логики, возбуждаются на частоте последовательного резонанса.
Нагрузочная емкость резонатора для HSE
На рисунке 1 приведено подключение кварцевого резонатора к микроконтроллеру с указанием всех важных емкостей.
Нагрузочная емкость резонатора рассчитывается по формуле:
СL = CL1 * CL2 / (CL1 + CL2) + CS,
Информация приведена в справочном виде, и в каждом уникальном случае емкость рассчитывается индивидуально.
Сигналы точного времени: обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic
Компания Geyer Electronic в течение многих лет является одним из ведущих мировых производителей кварцевых резонаторов. Продукция компании предназначена для различных температурных диапазонов и сортируется по областям применения.
Немецкая компания Geyer Electronic, основанная в 1964 году. Компания производит изделия, предназначенные для аппаратуры связи, мультимедиа, автомобильной электроники, бытовой и промышленной аппаратуры:
Основной офис компании находится в Германии. Производство размещено в Японии, Китае и Корее.
Компания Geyer Electronic придает большое значение тесному сотрудничеству с клиентами в течение всего этапа производства – от разработки изделия до серийного производства. Это гарантирует соответствие готового продукта всем предъявленным требованиям. Кроме этого, глобальная сеть продаж гарантирует доступность продукции и кратчайшие сроки ее доставки. Этим самым компания зарекомендовала себя как надежный и ориентированный на успех партнер.
Для того чтобы сравнить характеристики резонаторов, выявить преимущества/недостатки, необходимо разобраться в их строении и принципах работы, в сути пьезоэлектрического эффекта.
При деформации пьезоэлектрического образца возникает электрическое напряжение между его гранями, а при приложении к его граням электрического напряжения он деформируется. Это явление и называют пьезоэлектрическим эффектом.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кварце, титаните бария, турмалине, сегнетовой соли и других веществах. На нем основана работа акустических излучателей, систем сверхточного позиционирования, адаптивной оптики, пьезоэлектрических двигателей, пьезогенераторов электроэнергии, он используется для подачи чернил в струйных принтерах, в пьезотрансформаторах и в кварцевых резонаторах.
Для изготовления кварцевого резонатора используется кристалл пьезоэлектрика, из которого вырезается кольцо, брусок либо пластина. После на вырезанную пластину (кольцо, брусок) наносятся электроды. При подаче напряжения на электроды происходит сжатие, изгибание или сдвиг пластины (в зависимости от способа вырезки кристалла).
Колеблющаяся пластина создает во внешней цепи противо-ЭДС. Это явление эквивалентно работе катушки индуктивности в колебательном контуре (рисунок 1). Если частота подаваемого напряжения близка (в идеале равна) к частоте механических колебаний, затраты энергии оказываются существенно ниже, чем при значительном отличии этих частот.
Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Согласно рисунку 1, параметры эквивалентной схемы следующие:
С0 – межэлектродная емкость, образуемая обкладками и/или кристаллодержателем, емкостью проводящих проводов;
С1, L1 – эквивалентные емкость и индуктивность механической колебательной системы, которые зависят только от механических свойств;
R1 – эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы, характеризующее затухание механических колебаний.
Кварцевые резонаторы выпускаются для различных частот, но наиболее популярным видом являются резонаторы на 32.768 кГц, используемые в часовых схемах. Их резонансная частота, поделенная на пятнадцатиразрядном двоичном счетчике, даст интервал времени в одну секунду. Также резонаторы применяются в генераторах с высокой стабильностью фиксированной частоты (опорные генераторы синтезаторов частот, трансиверных радиостанций и др.), в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников.
Качество схем с кварцевыми резонаторами определяют следующими параметрами:
Обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic
Основные характеристики этих кварцевых резонаторов указаны в таблицах 1, 2. Все рассмотренные резонаторы соответствуют директиве RoHS 2011/65/EU. Под словом «доступно» в таблицах подразумевается возможность спецзаказа резонаторов с данными параметрами.
Таблица 1. Основные характеристики часовых кварцевых резонаторов в частотном диапазоне 32.768 кГц
| Наименование | Рабочая температура (температурный допуск по частоте), °С | Допуск на допустимое отклонение частоты (df/F) при 25°C ±3°C, ppm | Нагрузочная емкость CL, пФ | Старение (df/F) (первый год) при 25°C ±3°C, ppm | Шунтирующая емкость, С0, пФ | Используется для приложений, особенности, сертификация | Тип монтажа | Размеры, Д×Ш×В, мм | |
| -20…70 | -40…85 | ||||||||
| KX-327FT | – | (-0.03 ±0.01 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 7 | Чип-карты, мобильная связь, медицина | SMD | 1.6×1.0×0.5 |
| KX-327RT | – | (-0.03 ±0.01 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 1,3 | Мобильная связь | SMD | 2.0×1.2×0.6 |
| KX-327NHT | – | (-0.035 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 (доступно 7, 9) | ±3 | 1.6 | Миниатюрные коммуника-ционные устройства (Сертификация AEC-Q200) | SMD | 3.2×1.5×0.8 |
| KX-327L | (-0.042 ppm/°C2) | KX- 327LТ (-0.042 ppm/°C2) | ±20 (доступно ± 10) | 12,5 | ±3 | 0.8 | Промышленное применение | SMD | 7×1.5×4 |
| KX-327S | (-0.034 ±0,006 ppm/°C2) | KX-327ST (-0.034 ±0.006 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 2 | Часы, микро-компьютеры | SMD | 8.2×3.8×2.5 |
| KX-26 | (-0.042 ppm/°C2) | KX-26T (-0.042 ppm/°C2) | ±30 | 12.5 | ±3 | 1.3 | Часы и микро-компьютеры | ТНТ | 2×6 |
| KX-38 | (-0.042 ppm/°C2) | KX-38T (-0.042 ppm/°C2) | ±20 | 6 или 12.5 | ±3 | 1.3 | Часы и микро-компьютеры | ТНТ | 3×8 |
Таблица 2. Основные характеристики кварцевых резонаторов МГц-диапазона
| Наименование | Частотный диапазон, МГц | Рабочая температура (температурный допуск по частоте), °С | Допуск на допустимое отклонение частоты (df/F) при +25°C ± 3°C, ppm | Нагрузочная емкость CL, пФ | Старение (df/F) (первый год) при 25°C ± 3°C, ppm | Особенности | Размеры, Д×Ш×В, мм | ||
| -20…70 | -40…85 | -40…105 | |||||||
| KX-4* | 2…80 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-4T (±50 ppm; доступно ±50…±100 ppm) | – | ± 30 (доступно ±10…±50) | 8 (доступно 8…16) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 1,6×1,2×0,3 |
| KX-5* | 16…80 | (±50 ppm; доступно ±30…±50 ppm) | KX-5T (±100 ppm доступно ±30…±100 ppm) | KX-5E (±120 ppm; доступно ±50…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 8 (доступно 8…16) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 2,0×1,6×0,45 |
| KX-6* | 12…80 | (±50ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-6T (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | KX-6E (±150 ppm; доступно ±50…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 9 (доступно 8…16) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 2,5×2,0×0,55 |
| KX-7* | 8…60 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-7T ( ±100 ppm; доступно ±20…±100 ppm) | KX-7E (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 12 (доступно 7…20) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 3,2×2,5×0,8 |
| KX-9A* | 7,680…300,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±70 ppm) | KX-9AT (±100ppm; доступно ±20…±100 ppm) | KX-9AE (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 30; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 10…20) | ± 2 | Макс.старение ±2ppm | 5×3,2×1 |
| KX-12A* | 8,0…50,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-12AT (±100 ppm; доступно ±10…±100 ppm) | KX-12AE (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 50; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 10…20) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 5×3,2×1 |
| KX-12B* | 8,0…50,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±30 ppm) | KX – 12BT (±100 ppm; доступно ±30…±50 ppm) | KX – 12BЕ (±120 ppm; доступно ±50…±80 ppm) | ± 30 | 16 (доступно 12…20) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 6×3,5×1 |
| KX-K** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX – KT (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 30; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 12…30) | ± 5 | Бюджетность | 10,3×4,2×3,8 |
| KX-KS** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-KST (±100ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 30; (доступно ±10…±50) | ± 5 | Бюджетность; уменьш. профиль | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-KSS** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-KSST (±100ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 50; (доступно ±10…±50) | ± 5 | Бюджетность; уменьш. профиль | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-3H** | 3,20…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-3HT (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | KX-3HE (±120 ppm; доступно ±35…±120 ppm) | ± 30; (доступно ±10…±30) | ± 5 | Бюджетность | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-49** | 1,84320…200 | (±50 ppm; доступно ±5…±50 ppm) | KX-49T | KX-49E | ± 30; (доступно ±5…±50) | 30 (доступно 10…30) | ± 5 | Для часов ИС | 11,3×13,6×4,9 |
| KX-39*** | 3,579545…40 | (±50 ppm) | KX-39T (±100 ppm) | – | ± 30 | 16 (доступно 12… 20) | ± 3 | Для часов ИС | 3×10 |
| 30…70 | (±100 ppm) | KX-39T (±150 ppm) | – | ± 50 | 16 (доступно 12 … 20) | ± 3 | |||
| 40…100 | (-0,042 ppm/°C2) | KX-39T (-0,042 ppm/°C2) | – | ± 50 | 12 | ± 5 | |||
Держатели кристалла кварца должны быть жестко зафиксированы и не должны менять своего изначального положения с момента производства. В противном случае при сжатии и изгибании кристалла кварца могут возникнуть микротрещины. Чтобы этого не допустить, при монтаже в сквозные отверстия не изгибайте выводы резонатора более чем на 3 мм относительно изначального положения. Также не стоит припаивать корпус для фиксации, чтобы не допустить нагрева кристалла. Для этого необходимо использовать специальные приспособления.
Никаких особых замечаний по самой пайке кварцевого резонатора нет. Полярность любая, заземлять не нужно. Версии резонаторов поверхностного монтажа паяют оплавлением согласно предложенным производителем условиям пайки (рисунок 2).
Рис. 2. Условия пайки оплавлением для SMD-резонаторов
Рис. 3. Установка кварцевого резонатора для микроконтроллера
После пайки частота кварцевого резонатора может измениться на несколько ppm. Частота восстановится после нескольких часов или дней без каких либо последствий для кристалла кварца. Очистка проводится стандартными методами. При размещении кварцевого резонатора на плате также желательно придерживаться следующих условий:
Общий диапазон температуры хранения обозначен для каждой серии при заказе.
Все вопросы касательно резонаторов, их выбора и установки можно задавать как производителю, так и дистрибьютору. Общие же принципы выбора нагрузочных емкостей и внешнего резистора рассмотрим на примере кварцевого резонатора KX-K для микроконтроллера с необходимой частотой 24…25 МГц (рисунок 3).
Общие данные резонатора KX-K, согласно таблице 1:
Если нагрузочная емкость не будет согласована с нагрузочной емкостью кварцевого резонатора, то будет иметь место сдвиг резонансной частоты. Начальные значения емкости конденсаторов C1 и C2 для оптимизации должны быть 22 пФ и 27 пФ, соответственно, т.к. кристаллу необходима нагрузочная емкость 16 пФ. Предполагается, что у микроконтроллера есть внутренние емкости 2 пФ в OSC1 и OSC2. Паразитная емкость электрической схемы составляет 3 пФ. Таким образом, заключительная нагрузочная емкость равна (все значения емкостей в приведенной ниже формуле приведены в пФ):
Для простого запуска колебаний кварцевого резонатора емкость на входном OSC1 микроконтроллера взята меньше, чем на его выводе OSC2.
Чтобы проверить безопасность условий запуска, необходимо протестировать схему. Для тестирования необходимо вручную спаять резисторы последовательно с кварцевым резонатором. Колебания, даже несмотря на сопротивление в пределах, должны быть:
Рис. 4. Установка внешнего резистора
Внешний резистор рекомендуется использовать при рабочих частотах ниже 4 МГц. При более высоких частотах внутреннего сопротивления микроконтроллера обычно достаточно. Конденсатор C2 с внешним резистором RV (рисунок 4), образуют RC-цепочку, т.е. фильтр низких частот. Исходя из этого, Rv выбирается таким образом, чтобы критическая частота f была вдвое больше номинальной частоты резонатора.
Пример для C2 = 22 пФ:
Компания Geyer Electronic выпускает качественные кварцевые резонаторы различных размеров SMD- и THT-монтажа популярных частотных диапазонов для новых приложений. Хорошо налаженная обратная связь между сотрудниками компании и клиентами позволит подобрать подходящий кварцевый резонатор для любой задачи в зависимости от условий эксплуатации, необходимых характеристик, цены и использования его в конкретном приложении.