Upload
tyson-taylor
View
48
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Rezonatoare Piezoelectrice
Citation preview
CAPITOLUL 6
COMPONENTE PASIVE SPECIALEIcircn această categorie se includ componentele pasive folosite icircn aplicaţii speciale
Rezonatoarele cu cuarţ filtrele ceramice şi liniile de icircntacircrziere reprezintă doar o parte din mareacategorie de componente pasive speciale cu largă utilizare icircn telecomunicaţii telemetrie sistemede calcul automatizări electronică industrială sisteme de prelucrare a datelor etc
Componentele pasive speciale sunt rezultatul cercetărilor icircn scopul obţinerii decomponente cu performanţe ridicate din punct de vedere al stabilităţii parametrilor electrici icircnraport cu temperatura precum şi icircn raport cu alţi factori perturbatori
Schimbătoare de frecvenţă oscilatoare demodulatoare convertoare de semnaledecodoare amplificatoare acordate amplificatoare cu destinaţie specială sunt circuiteelectronice care au icircn construcţiei lor componente pasive speciale Apariţia şi dezvoltareatehnicii de calcul a determinat dezvoltarea şi diversificarea producţiei de componenteelectronice Se poate aprecia că domeniul radiocomunicaţiilor şi domeniul calculatoarelor ocupălocul de frunte icircn utilizarea componentelor electronice pasive speciale
61 Rezonatoare piezoelectrice
Rezonatoarele piezoelectrice (rezonatoare cu cuarţ şi rezonatoare ceramice) fac parte dincategoria dispozitivelor piezoelectrice funcţionale alături de filtrele piezoelectrice liniile deicircntacircrziere piezoelectrice şi transformatoarele piezoelectrice Din punct de vedere al domeniuluifrecvenţelor de lucru rezonatoarele piezoelectrice se icircncadrează icircn dispozitivele piezoelectriceneliniare dispozitive care funcţionează icircn aproprierea rezonanţei elastice unde amplitudineaundei staţionare de natură elastică are amplitudine mare amplitudine care scade puternic icircn afararezonanţei
Rezonatoarele piezoelectrice sunt dispozitive la care impedanţa electrică de intrare esteputernic dependentă de frecvenţă motiv pentru care sunt utilizate ca circuite rezonante cu factoride calitate mari şi foarte mari (103 ndash 106 )
Funcţionarea rezonatoarelor piezoelectrice se bazează pe efectul piezoelectric şifenomenul de rezonanţă elastică caracteristic materialelor cu structură cristalinăMaterialele cu structură cristalină sunt materiale solide anizotrope monocristaline (cuarţul sareaSeignette) sau materiale ceramice policristaline (titanatul de bariu titanatul de plumb) şi care suntdenumite materiale piezoelectrice
Rezonatoarele piezoelectrice prezintă avantajul unei mari stabilităţi a frecvenţei deoscilaţie datorită excelentei combinaţii icircntre proprietăţile piezoelectrice şi cele mecanice termiceşi chimice ale materialelor monocristaline sau policristaline cu proprietăţi piezoelectriceOscilaţiile (vibraţiile) mecanice care apar icircn materialele piezoelectrice se manifestă icircn interiorulcristalului sub forma undelor elastice (mecanice) de volum sau la suprafaţa cristalului sub formaundelor elastice de suprafaţă
Icircn schemele electrice rezonatorul piezoelectric este reprezentat prin simbolul
şi este prezent icircn aproape toate componentele structurale ale sistemelor de calcul sistemelor deradiorecepţie şi a aparaturii de măsură control şi urmărire automată
Q
120 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
611 Efectul piezoelectric
Proprietatea deosebită a unor materiale feroelectrice este piezoelectricitatea sau efectulpiezoelectric
Efectul piezoelectric a fost descoperit icircn anul 1880 de către fraţii Pierre şi Jacque Curie şipus icircn evidenţă prin apariţia unei diferenţe de potenţial electric la capetele unui dielectric sauferoelectric atunci cacircnd asupra lui acţionează o forţă de compresie mecanică Diferenţa depotenţial se datorează polarizării electrice a materialului piezoelectric sub acţiunea deformatoarea solicitării mecanice externe Polarizarea electrică constă icircn apariţia unor sarcini electrice pesuprafaţa materialelor piezoelectrice supuse acţiunii forţelor de compresie sau de icircntindere
Materialele monocristaline sau policristaline supuse acţiunii unei presiuni mecanicegenerează o tensiune electrică acesta este efectul piezoelectric direct iar sub acţiunea unui cacircmpelectric suferă o deformare mecanică (distorsiune mecanică numită electrostricţiune) acestacorespunde efectului piezoelectric indirect (fig61) Piezoelectricitatea este caracterizată printr-orelaţie directă icircntre cauză şi efect
Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional icircn planul xOy (fig62a) lipsaacţiunii mecanice exterioare pune icircn evidenţă polarizarea rezultantă cu valoare nulă ca urmare astructurii simetrice a cristalului
Icircn cazul icircn care se acţionează din exterior asupra cristalului are loc deformarea structuriiinterne a reţelei (fig62) ionii se deplasează polarizare internă nu mai este icircn echilibru şi are locpolarizarea cristalului prin efect direct deci polarizarea rezultantă este diferită de zero
Icircn figura 62 efectul de polarizare este pus icircn evidenţă prin momentul dipolar al celulelorunitare moment icircncadrat cu linie punctată
Polarizarea P indusă icircn materialul cristalin este direct proporţională cu solicitarea(presiunea) mecanică σ aplicată din exterior conform relaţiei (61) care reprezintă expresiaefectului piezoelectric direct
P = dσ (61)
unde tensiunea mecanică σ se defineşte ca forţa aplicată pe unitatea desuprafaţă (σ = FS)
U
Fig 61 Efectul piezoelectric a) direct b) invers
σ
+ + + + + + +- - - - - - - - - -
x
a)
+V
-V
b)
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 121
Factorul de proporţionalitate d dintre polarizarea P şi solicitarea mecanică σ a fostdenumit piezomodul a cărui valoare depinde de natura materialului piezoelectric
Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizărielectrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x estedirect proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conformrelaţiei (62)
x = gP (62)
Icircn baza relaţie de legătură (63) dintre polarizare şi cacircmpul electric care icircl determină[26] expresia efectului piezoelectric invers este determinată prin relaţia (64)
Din relaţia (64) rezultă expresia piezomodulului d cacoeficientului piezoelectric g permitivitatea electrică absolută a velectrică a materialului piezoelectric ε (care depinde de permitivmaterialului piezoelectric prin relaţia ε = ε0 εr )
( )EP 10 minus= εε
( ) dEEggPx =minus== 10 εε
( )10 minus= εεgd
sum ne 0iPsum =0iP
Fig 62 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăa) structură nedeformată b) structură deformată
P3
P1
P4 P2
P2
P1P3
y
ox
- ioni pozitivi
- ioni negativia) b)
(63)
(64)
re depinde de mărimeaidului ε0 şi permitivitateaitatea electrică relativă a
(65)
122 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Relaţiile (61) şi (64) referitoare la efectul piezoelectric direct şi invers exprimate icircnplanul bidimensional pot fi generalizate pentru spaţiul tridimensional conform relaţiilor (66) şi(67) care evidenţiază efectul piezoelectric direct şi respectiv efectul piezoelectric invers [26]
unde i = 1 2 3 corespunzător celor trei polarizări după axele de coordonate j = 1 2 hellip 6 corespunzător eforturilor normale şi tangenţiale la suprafeţele
perpendiculare pe axele de coordonate
Pot fi definite şi ecuaţiile pentru determinarea cacircmpului electric E şi tensiunii mecanice σpentru cazul icircn care se cunoaşte polarizarea electrică P şi deformarea elastică x De obicei seconsideră E şi σ ca variabile independente Se aplică un cacircmp electric E şi o tensiune mecanică σşi se măsoară polarizarea P şi deformarea x
Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină saude natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 62)
Pentru materialele monocristaline (fig63 şi fig64) axele sistemului ortogonal suntdenumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică
jijj
jiji ddP σσ == sum=
6
1
sum=
==3
1iiijiiji EdEdx
(66)
(67)
Lamelă tăiată sub unghiul β faţăde direcţia Oz
Material piezoelectric
Y
S
Z
β
X
O
Fig63 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lamele
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 123
Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţiiprincipale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig63) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţăde axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucradispozitivul piezoceramic
Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definescpolarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz )la care este supus monocristalul (fig 64)
O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şasecomponente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale σx σy σz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare τx τy τz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]
Legătura dintre polarizările electrice Px Py Pz şi eforturile mecanice σ şi τ se exprimăpe baza relaţiilor generale de polarizare ale monocristalului [25]
Coeficienţii piezoelectrici dij din cadrul relaţiilor (68) se determină experimental pentrufiecare cristal icircn funcţie de materialul care se află la baza compoziţiei sale şi se măsoară icircn [CN]Pentru principalele materiale piezoelectrice valoarea piezomodulului este dată icircn tabelul 61Matricea coeficienţilor piezoelectrici dij (piezomoduli) pentru cuarţ are forma
Fig 64 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor
X
Z σz τz
Y
σy
σx
τx τy
Ox
z
x
xzyzyxz
xzyzyxy
xzyzyxx
ddddddPddddddP
ddddddP
τττσσστττσσσ
τττσσσ
363534333231
262524232221
161514131211
+++++=+++++=
+++++=(68)
minusminus
minus
1114
141111
2000000
0000000
ddddd Icircn această matrice se observă următoarele
egalităţi icircntre piezomoduli d12 = - d11 d25 = - d14 d26 = - 2d11
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
120 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
611 Efectul piezoelectric
Proprietatea deosebită a unor materiale feroelectrice este piezoelectricitatea sau efectulpiezoelectric
Efectul piezoelectric a fost descoperit icircn anul 1880 de către fraţii Pierre şi Jacque Curie şipus icircn evidenţă prin apariţia unei diferenţe de potenţial electric la capetele unui dielectric sauferoelectric atunci cacircnd asupra lui acţionează o forţă de compresie mecanică Diferenţa depotenţial se datorează polarizării electrice a materialului piezoelectric sub acţiunea deformatoarea solicitării mecanice externe Polarizarea electrică constă icircn apariţia unor sarcini electrice pesuprafaţa materialelor piezoelectrice supuse acţiunii forţelor de compresie sau de icircntindere
Materialele monocristaline sau policristaline supuse acţiunii unei presiuni mecanicegenerează o tensiune electrică acesta este efectul piezoelectric direct iar sub acţiunea unui cacircmpelectric suferă o deformare mecanică (distorsiune mecanică numită electrostricţiune) acestacorespunde efectului piezoelectric indirect (fig61) Piezoelectricitatea este caracterizată printr-orelaţie directă icircntre cauză şi efect
Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional icircn planul xOy (fig62a) lipsaacţiunii mecanice exterioare pune icircn evidenţă polarizarea rezultantă cu valoare nulă ca urmare astructurii simetrice a cristalului
Icircn cazul icircn care se acţionează din exterior asupra cristalului are loc deformarea structuriiinterne a reţelei (fig62) ionii se deplasează polarizare internă nu mai este icircn echilibru şi are locpolarizarea cristalului prin efect direct deci polarizarea rezultantă este diferită de zero
Icircn figura 62 efectul de polarizare este pus icircn evidenţă prin momentul dipolar al celulelorunitare moment icircncadrat cu linie punctată
Polarizarea P indusă icircn materialul cristalin este direct proporţională cu solicitarea(presiunea) mecanică σ aplicată din exterior conform relaţiei (61) care reprezintă expresiaefectului piezoelectric direct
P = dσ (61)
unde tensiunea mecanică σ se defineşte ca forţa aplicată pe unitatea desuprafaţă (σ = FS)
U
Fig 61 Efectul piezoelectric a) direct b) invers
σ
+ + + + + + +- - - - - - - - - -
x
a)
+V
-V
b)
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 121
Factorul de proporţionalitate d dintre polarizarea P şi solicitarea mecanică σ a fostdenumit piezomodul a cărui valoare depinde de natura materialului piezoelectric
Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizărielectrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x estedirect proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conformrelaţiei (62)
x = gP (62)
Icircn baza relaţie de legătură (63) dintre polarizare şi cacircmpul electric care icircl determină[26] expresia efectului piezoelectric invers este determinată prin relaţia (64)
Din relaţia (64) rezultă expresia piezomodulului d cacoeficientului piezoelectric g permitivitatea electrică absolută a velectrică a materialului piezoelectric ε (care depinde de permitivmaterialului piezoelectric prin relaţia ε = ε0 εr )
( )EP 10 minus= εε
( ) dEEggPx =minus== 10 εε
( )10 minus= εεgd
sum ne 0iPsum =0iP
Fig 62 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăa) structură nedeformată b) structură deformată
P3
P1
P4 P2
P2
P1P3
y
ox
- ioni pozitivi
- ioni negativia) b)
(63)
(64)
re depinde de mărimeaidului ε0 şi permitivitateaitatea electrică relativă a
(65)
122 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Relaţiile (61) şi (64) referitoare la efectul piezoelectric direct şi invers exprimate icircnplanul bidimensional pot fi generalizate pentru spaţiul tridimensional conform relaţiilor (66) şi(67) care evidenţiază efectul piezoelectric direct şi respectiv efectul piezoelectric invers [26]
unde i = 1 2 3 corespunzător celor trei polarizări după axele de coordonate j = 1 2 hellip 6 corespunzător eforturilor normale şi tangenţiale la suprafeţele
perpendiculare pe axele de coordonate
Pot fi definite şi ecuaţiile pentru determinarea cacircmpului electric E şi tensiunii mecanice σpentru cazul icircn care se cunoaşte polarizarea electrică P şi deformarea elastică x De obicei seconsideră E şi σ ca variabile independente Se aplică un cacircmp electric E şi o tensiune mecanică σşi se măsoară polarizarea P şi deformarea x
Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină saude natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 62)
Pentru materialele monocristaline (fig63 şi fig64) axele sistemului ortogonal suntdenumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică
jijj
jiji ddP σσ == sum=
6
1
sum=
==3
1iiijiiji EdEdx
(66)
(67)
Lamelă tăiată sub unghiul β faţăde direcţia Oz
Material piezoelectric
Y
S
Z
β
X
O
Fig63 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lamele
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 123
Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţiiprincipale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig63) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţăde axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucradispozitivul piezoceramic
Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definescpolarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz )la care este supus monocristalul (fig 64)
O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şasecomponente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale σx σy σz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare τx τy τz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]
Legătura dintre polarizările electrice Px Py Pz şi eforturile mecanice σ şi τ se exprimăpe baza relaţiilor generale de polarizare ale monocristalului [25]
Coeficienţii piezoelectrici dij din cadrul relaţiilor (68) se determină experimental pentrufiecare cristal icircn funcţie de materialul care se află la baza compoziţiei sale şi se măsoară icircn [CN]Pentru principalele materiale piezoelectrice valoarea piezomodulului este dată icircn tabelul 61Matricea coeficienţilor piezoelectrici dij (piezomoduli) pentru cuarţ are forma
Fig 64 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor
X
Z σz τz
Y
σy
σx
τx τy
Ox
z
x
xzyzyxz
xzyzyxy
xzyzyxx
ddddddPddddddP
ddddddP
τττσσστττσσσ
τττσσσ
363534333231
262524232221
161514131211
+++++=+++++=
+++++=(68)
minusminus
minus
1114
141111
2000000
0000000
ddddd Icircn această matrice se observă următoarele
egalităţi icircntre piezomoduli d12 = - d11 d25 = - d14 d26 = - 2d11
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 121
Factorul de proporţionalitate d dintre polarizarea P şi solicitarea mecanică σ a fostdenumit piezomodul a cărui valoare depinde de natura materialului piezoelectric
Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizărielectrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x estedirect proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conformrelaţiei (62)
x = gP (62)
Icircn baza relaţie de legătură (63) dintre polarizare şi cacircmpul electric care icircl determină[26] expresia efectului piezoelectric invers este determinată prin relaţia (64)
Din relaţia (64) rezultă expresia piezomodulului d cacoeficientului piezoelectric g permitivitatea electrică absolută a velectrică a materialului piezoelectric ε (care depinde de permitivmaterialului piezoelectric prin relaţia ε = ε0 εr )
( )EP 10 minus= εε
( ) dEEggPx =minus== 10 εε
( )10 minus= εεgd
sum ne 0iPsum =0iP
Fig 62 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăa) structură nedeformată b) structură deformată
P3
P1
P4 P2
P2
P1P3
y
ox
- ioni pozitivi
- ioni negativia) b)
(63)
(64)
re depinde de mărimeaidului ε0 şi permitivitateaitatea electrică relativă a
(65)
122 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Relaţiile (61) şi (64) referitoare la efectul piezoelectric direct şi invers exprimate icircnplanul bidimensional pot fi generalizate pentru spaţiul tridimensional conform relaţiilor (66) şi(67) care evidenţiază efectul piezoelectric direct şi respectiv efectul piezoelectric invers [26]
unde i = 1 2 3 corespunzător celor trei polarizări după axele de coordonate j = 1 2 hellip 6 corespunzător eforturilor normale şi tangenţiale la suprafeţele
perpendiculare pe axele de coordonate
Pot fi definite şi ecuaţiile pentru determinarea cacircmpului electric E şi tensiunii mecanice σpentru cazul icircn care se cunoaşte polarizarea electrică P şi deformarea elastică x De obicei seconsideră E şi σ ca variabile independente Se aplică un cacircmp electric E şi o tensiune mecanică σşi se măsoară polarizarea P şi deformarea x
Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină saude natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 62)
Pentru materialele monocristaline (fig63 şi fig64) axele sistemului ortogonal suntdenumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică
jijj
jiji ddP σσ == sum=
6
1
sum=
==3
1iiijiiji EdEdx
(66)
(67)
Lamelă tăiată sub unghiul β faţăde direcţia Oz
Material piezoelectric
Y
S
Z
β
X
O
Fig63 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lamele
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 123
Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţiiprincipale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig63) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţăde axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucradispozitivul piezoceramic
Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definescpolarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz )la care este supus monocristalul (fig 64)
O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şasecomponente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale σx σy σz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare τx τy τz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]
Legătura dintre polarizările electrice Px Py Pz şi eforturile mecanice σ şi τ se exprimăpe baza relaţiilor generale de polarizare ale monocristalului [25]
Coeficienţii piezoelectrici dij din cadrul relaţiilor (68) se determină experimental pentrufiecare cristal icircn funcţie de materialul care se află la baza compoziţiei sale şi se măsoară icircn [CN]Pentru principalele materiale piezoelectrice valoarea piezomodulului este dată icircn tabelul 61Matricea coeficienţilor piezoelectrici dij (piezomoduli) pentru cuarţ are forma
Fig 64 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor
X
Z σz τz
Y
σy
σx
τx τy
Ox
z
x
xzyzyxz
xzyzyxy
xzyzyxx
ddddddPddddddP
ddddddP
τττσσστττσσσ
τττσσσ
363534333231
262524232221
161514131211
+++++=+++++=
+++++=(68)
minusminus
minus
1114
141111
2000000
0000000
ddddd Icircn această matrice se observă următoarele
egalităţi icircntre piezomoduli d12 = - d11 d25 = - d14 d26 = - 2d11
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
122 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Relaţiile (61) şi (64) referitoare la efectul piezoelectric direct şi invers exprimate icircnplanul bidimensional pot fi generalizate pentru spaţiul tridimensional conform relaţiilor (66) şi(67) care evidenţiază efectul piezoelectric direct şi respectiv efectul piezoelectric invers [26]
unde i = 1 2 3 corespunzător celor trei polarizări după axele de coordonate j = 1 2 hellip 6 corespunzător eforturilor normale şi tangenţiale la suprafeţele
perpendiculare pe axele de coordonate
Pot fi definite şi ecuaţiile pentru determinarea cacircmpului electric E şi tensiunii mecanice σpentru cazul icircn care se cunoaşte polarizarea electrică P şi deformarea elastică x De obicei seconsideră E şi σ ca variabile independente Se aplică un cacircmp electric E şi o tensiune mecanică σşi se măsoară polarizarea P şi deformarea x
Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină saude natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 62)
Pentru materialele monocristaline (fig63 şi fig64) axele sistemului ortogonal suntdenumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică
jijj
jiji ddP σσ == sum=
6
1
sum=
==3
1iiijiiji EdEdx
(66)
(67)
Lamelă tăiată sub unghiul β faţăde direcţia Oz
Material piezoelectric
Y
S
Z
β
X
O
Fig63 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lamele
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 123
Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţiiprincipale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig63) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţăde axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucradispozitivul piezoceramic
Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definescpolarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz )la care este supus monocristalul (fig 64)
O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şasecomponente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale σx σy σz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare τx τy τz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]
Legătura dintre polarizările electrice Px Py Pz şi eforturile mecanice σ şi τ se exprimăpe baza relaţiilor generale de polarizare ale monocristalului [25]
Coeficienţii piezoelectrici dij din cadrul relaţiilor (68) se determină experimental pentrufiecare cristal icircn funcţie de materialul care se află la baza compoziţiei sale şi se măsoară icircn [CN]Pentru principalele materiale piezoelectrice valoarea piezomodulului este dată icircn tabelul 61Matricea coeficienţilor piezoelectrici dij (piezomoduli) pentru cuarţ are forma
Fig 64 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor
X
Z σz τz
Y
σy
σx
τx τy
Ox
z
x
xzyzyxz
xzyzyxy
xzyzyxx
ddddddPddddddP
ddddddP
τττσσστττσσσ
τττσσσ
363534333231
262524232221
161514131211
+++++=+++++=
+++++=(68)
minusminus
minus
1114
141111
2000000
0000000
ddddd Icircn această matrice se observă următoarele
egalităţi icircntre piezomoduli d12 = - d11 d25 = - d14 d26 = - 2d11
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 123
Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţiiprincipale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig63) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţăde axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucradispozitivul piezoceramic
Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definescpolarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz )la care este supus monocristalul (fig 64)
O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şasecomponente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale σx σy σz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare τx τy τz avacircnd ca unitate de măsură [Nm]
Legătura dintre polarizările electrice Px Py Pz şi eforturile mecanice σ şi τ se exprimăpe baza relaţiilor generale de polarizare ale monocristalului [25]
Coeficienţii piezoelectrici dij din cadrul relaţiilor (68) se determină experimental pentrufiecare cristal icircn funcţie de materialul care se află la baza compoziţiei sale şi se măsoară icircn [CN]Pentru principalele materiale piezoelectrice valoarea piezomodulului este dată icircn tabelul 61Matricea coeficienţilor piezoelectrici dij (piezomoduli) pentru cuarţ are forma
Fig 64 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor
X
Z σz τz
Y
σy
σx
τx τy
Ox
z
x
xzyzyxz
xzyzyxy
xzyzyxx
ddddddPddddddP
ddddddP
τττσσστττσσσ
τττσσσ
363534333231
262524232221
161514131211
+++++=+++++=
+++++=(68)
minusminus
minus
1114
141111
2000000
0000000
ddddd Icircn această matrice se observă următoarele
egalităţi icircntre piezomoduli d12 = - d11 d25 = - d14 d26 = - 2d11
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
124 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Efectul piezoelectric este caracteristic atacirct materialelor omogene monocristaline cum estecuarţul cacirct şi materialelor neomogene policristaline denumite materiale ceramice ( titanatul debariu niobatul de litiu ceramica PZT etc)
Tabelul 61 Valori de piezomodul pentru principalele materiale piezoelectriceNrCrt
Denumirea materialuluipiezoelectric
Valori piezomodul dij [pCN]
1 Cuarţ SiO2 d11 = 231 d14 = 072 Sulfură de Cadmiu CdS d15 = -14 d33 = 103 d31 = -523 Oxid de Zinc ZnO d15 = -12 d33 = 12 d31 = -474 Titanat de Bariu BaTiO3 d15 = 400 d33 = 100 d31 = -355 Niobat de Lithiu LiNbO3 d31 = -13 d33 = 18 d22 = 20
d15 = 706 Sarea Rochelle la 34 0C d14 = 345 d25 = 54 d36 = 12
612 Rezonatorare cu cuarţ
Rezonatoarele piezoelectrice utilizate la ora actuală se realizează din cuarţ şi din materialeceramice Rezonatorul cu cuarţ este unul din rezonatoarele piezoelectrice cu cea mai icircnaltăstabilitate icircn funcţionare Este utilizat la frecvenţa de rezonanţă fundamentală (s = λ2) precum şila frecvenţele armonicelor a treia (s = λ2) şi respectiv a cincea (s = λ2)
6121 Materiale Caracteristici Tehnologii
Rezonatorul piezoceramic cu cuarţ este realizat sub formă de plăci sau bare dedimensiuni şi forme geometrice diferite tăiate din cuarţul natural sau cuarţul crescut sintetic
Cristalul de cuarţ este una din formele de cristalizare ale bioxidului de siliciu (SiO2) careeste un material solid anizotrop monocristalin
Procesul de cristalizare se produce pe cale naturală dar puritatea şi dimensiunilecuarţului diferă icircn funcţie de natura zăcămacircntului Din aceste motive cristalul de cuarţ utilizatpentru rezonatoare se obţine pe cale industrială icircn autoclave mari din oţel la temperaturi de peste400 oC şi presiuni de peste 1500 atmosfere Cuarţul astfel obţinut este un cuarţ sintetic produspentru nevoile tot mai mari ale industriei electronice
Proprietăţi piezoelectrice prezintă şi alte materiale monocristaline cum sunt turmalina şisarea Seignette dar cel mai utilizat este cuarţul datorită proprietăţilor sale superioare icircn ceea cepriveşte factorul de calitate şi stabilitatea oscilaţiilor electromecanice
Cuarţul cristalizează icircn sistem hexagonal (fig 65) La scară microscopică ionii de siliciuşi de oxigen formează hexagoane elementare iar la scară macroscopică icircntregul cristal are formăde hexagon Axa electrică Ox şi axa mecanică Oz sunt aceleaşi pentru cristalul de cuarţ atacirct lascară microscopică cacirct şi la scară macroscopică
Cristalul de cuarţ prezintă trei sisteme de axe decalate la 120 grade (fig65) Icircn lipsasolicitărilor mecanice ionii cristalului de cuarţ formează hexagoane avacircnd sarcină electricăsimetrică şi polarizarea rezultantă nulă La o solicitare mecanică asupra cristalului apar sarcinielectrice pe suprafeţele perpendiculare pe axa electrică Ox Icircn cazul icircn care pe suprafeţeleperpendiculare pe axa electrică se aduc sarcini electrice din exterior cristalul suferă o deformaremecanică după axa Oy
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 125
Icircn cazul efectului piezoelectric longitudinal reprezentat icircn figura 65b sub acţiunea forţeidupă direcţia axei Ox cristalul se deformează (σx ne 0) Prin deplasare ionii vor induce sarcinielectrice pe armăturile metalice Sx dispuse perpendicular pe direcţia forţei F
Conform relaţiei (68) polarizarea rezultantă se poate scrie [27]
Sarcina electrică care apare pe armături (denumite şi monturi) are expresia Qx = d11F Coeficientul d11 poartă denumirea de piezomodul şi are valoarea 231 pCN
Icircn cazul efectului piezoelectric transversal reprezentat icircn figura 65c forţa F acţioneazădupă axa mecanică Oy (σy ne 0) sarcinile electrice induse pe armături sunt de polaritate inversăcomparativ cu efectul piezoelectric longitudinal Polarizarea rezultată şi sarcina electrică generatăau expresiile
Din relaţiile (69) şi (611) rezultă că sarcina electrică Q aplicată şi nu depinde de dimensiunile geometrice ale cristaluluiintermediul tensiunii condensatorului format din armăturile perpendicular pe axa Ox potrivit relaţiei U = Qx C icircn care vaparametrii geometrici şi de material ai lamelei de cuarţ prin relaţia
unde Sx reprezintă suprafaţa armăturiis reprezită grosimea lamelei de cuarţε reprezintă permitivitatea electrică a cuarţuluε0 reprezintă permitivitatea electrică a viduluiεr reprezintă permitivitatea electrică relativă a
Efectul piezoelectric transversal cacirct şi efectul piezoelectriccacirct şi aspect invers
Efectul piezoelectric direct longitudinal corespunde comprimare care are ca efect apariţia sarcinilor electrice aşa cum su
Efectul piezoelectric invers longitudinal corespunde unei acare are ca efect apariţia de sarcini electrice cu polaritate schimbfigura 65b(sarcini electrice negative pe suprafaţa superioară şi suprafaţa inferioară)
yy
x
xx
SFdd
SQP 1112 minus=== σ
FSSdQ
y
xx 11minus=
xx
x
xx
SFdd
SQP 1111 === σ
sSC Xε=
(610)
e
i (
u
ca
(
(69)
ste proporţională cu forţa FSarcina Q se măsoară prinde capacitate C dispuseloarea capacităţii depinde de
(ε = ε0middotεr)ε0 = 8854middot10-12 Fm)cuarţului
longitudinal au aspect direct
nei acţiuni mecanice dent reprezentate icircn fig65bţiuni mecanice de icircntinderetă faţă de reprezentarea dinsarcini electrice pozitive pe
611)
(612)
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
126 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Similar se diferenţiază efectul piezoelectric transversal direct şi invers care prinschimbarea polarităţii sarcinilor electrice aplicate pe suprafeţele Sx determină comprimări şidestinderi ale cristalului de cuarţ a cărei repetare generează vibraţia electromecanică
x3
a)
Fig 65 Cristalizarea şa) secţiune prin cric) efectul piezoelec
Sub influenţa unui cacircmp elelectromecanică Tipul de vibraţiacţiunii cacircmpului electric oscilant
Proprietăţile de vibraţie (următoarele elemente
- modul de tăiere- dimensiunile lam- poziţia electrozi
Fiecărui tip de vibraţie elede oscilaţie [16]- pentru frecvenţe de la 4 la 50 k- pentru frecvenţe de la 50 la 300- pentru frecvenţe de la 100 la 55- pentru frecvenţe de la 05 la 15- pentru frecvenţe de la 3 la 50 M
Frecvenţa de vibraţie a cris
[s
fs28601660 divide=
y3 x1
y1
x2
y2
Qx - - - - - - - - - - - - - - - - Sx+ + + + + + + + + + +
F
Qx
b)
i efectul piezoelectric la cstalul de cuarţ b)efectric transversal
ectric oscilant cristalul de electromecanică depin( fig 66)sau de oscilaţie) electro
din cristalul de cuarţelei de cuarţ
lor de contactctromecanică icirci este cara
Hz se utilizează vibraţii d kHz se utilizează vibraţ0 kHz se utilizează vibra MHz se utilizează vibraHz se utilizează vibraţii
talelor de cuarţ tăiate dup
]kHz
- - - - - - - - - - - - - - - -
2O-
Si+
Si+
2O-
F
Sx
c)
ristalul de cuarţtul piezoelectric longitudinal
e cuarţ este pus icircntr-o stare de vibraţiede de forma lamelei de cuarţ supusă
mecanică sunt strict determinate de
cteristică o anumită plajă de frecvenţe
e icircncovoiereii longitudinaleţii de forfecare de suprafaţăţii de grosime de forfecare icircn grosimeă diferite axe este dată de relaţia [16]
(612)
Sx
2O- 2O-
Si+ Si
+
F F
+ + + + + + + + + + + +x
Si+
2O-
2O-
Si+
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 127
unde s este grosimea lamelei [mm]
Formarea cristalului de cuarţ cunoaşte direcţii de cristalizare specifice denumite direcţiicristalografice notate pentru studiu x y z (fig 67a) Direcţiile cristalografice determină şiorientarea efectului piezoelectric
Tăierea unei lamele din cristalul de cuarţ (cuarţul mamă) se face după direcţii binedeterminate comparativ cu direcţiile cristalografice (fig67b) icircncacirct suprafaţa principală să fieperpendiculară pe axa electrică Aceasta icircn scopul obţinerii performanţelor dorite frecvenţăstabilitate icircn frecvenţă cu temperatura permitivitate (εr) mică etc
Pentru obţinerea condensatorului C şi a sarcinilor Q lamela se introduce ca dielectric icircntredouă armături metalice Armăturile se obţin prin descompunerea termică a unui compus alargintului sau prin vaporizare icircn vid
Cele mai folosite tipuri de tăieturi ale cuarţului sunt- XY pentru frecvenţe cuprinse icircntre 1 kHz şi 20 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- NT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 15 kHz şi 100 kHz cu mod de oscilaţie de
icircnconvoiere- X+50 pentru frecvenţe cuprinse icircntre 60 kHz şi 250 kHz cu mod de oscilaţie de
alungire ndash contracţie (unda elastică generată este de tip longitudinal)
YX
Z
Z
YX
a)
180
XY X
X
AT
CT
BT
DT
GT
510
350
490
450
50
Fig 67 Cristalul de cuarţ şi tăieturi de bază ale lamelelor de cuarţ
b)
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
128 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
- DT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 200 kHz şi 500 kHz cu mod de oscilaţie decomplexă de contur
- CT pentru frecvenţe cuprinse icircntre 300 kHz şi 1 MHz- AT pentru frecvenţe fundamentale cuprinse icircntre 1 MHz şi 25 MHz cu mod
fundamental de oscilaţie de contur Acest tip de tăiere este folosit şi pentru frecvenţeleovertone (armonicile de ordin impar 3 5 7) cu frecvenţe icircn gama de la 17 MHz pacircnăla 250 MHz
Uzual rezonatoarele au frecvenţe de oscilaţie cuprinse icircntre 15 kHz şi 25 MHz deoarecepentru frecvenţe mai mici dimensiunile lamei de cuarţ sunt mari greu de obţinut iar pentrufrecvenţe mai mari lamela de cuarţ devine fragilă ca urmare a grosimii foarte mici(s le 015 mm)
Rezonatorul cu cuarţ utilizat icircn construcţiile electronice se compune dintr-o lamelă dincuarţ pe ale cărei feţe sunt depuşi doi electrozi fixaţi icircntr-un ansamblu de prindere numit ambazăAnsamblul este icircnchis ermetic icircntr-o incintă din metal ebonită sau sticlă de formă cilindrică sauparalelipipedică (fig68)
Fig 68 Capsula rezonatorului cu cuarţ
Tabelul 62 Tipuri de capsule pentru rezonatoare cu cuarţDimensiuni
[mm]Tipul de capsulă
HC6RW HC33RW HC25RW HC18RWA 189 18 102 102B 1969 198 1345 1345C 63 127 63 125D 1234 1235 488 49E 1923 1935 1105 1105F 132 081 1 045G 75 77 37 38H 9 92 465 465
Cota F reprezintă grosimea terminalelor
A
B
C
E
D
G
H F
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 129
Icircncapsularea rezonatoarelor se face icircn vid pentru creşterea factorului de calitate sau icircnatmosferă inertă de azot uscat prin sudare pentru stabilizarea caracteristicilor Cele mai uzualecapsule sunt de tipurile HC 6RW HC 33RW HC 25RV HC 18RW Forma acestora estereprezentată icircn figura 68 iar dimensiunile sunt prezentate icircn tabelul 62
6122 Caracteristici electrice Parametrii
Pe carcasa rezonatorului cu cuarţ sunt specificaţi icircn mod curent următorii parametrii[4]bull Frecvenţa nominală - fN - depinde de tipul de tăiere al plăcuţei de cuarţbull Toleranţa de ajustare - TA - reprezintă abaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă
fr (măsurată la temperatura de referinţă θR icircn condiţii specificate) faţă de frecvenţa nominalăfN
icircn general se consideră θR = +25o plusmn 2o C
bull Toleranţa icircn domeniul de temperatură (ldquostabilitatea frecveabaterea maximă permisă a frecvenţei de rezonanţă fr măsurată intervalul temperaturilor de utilizare specificat) faţă de frecventemperatura de referinţă θR
Sistemul de codificare al rezonatoarelor cu cuarţ prezintă pexemplul de mai jos următoarele informaţii
Ex RP 1 2 3 - S
Frecvenţa nominală fN icircnKHz Tip carcasă
Toleranţade ajustareTA icircn ppm
la 250C
Toleranţa icircn domentemperatură T icircn
Temperatura de util0C
6 14000hellip4000HC-6RW 1 plusmn10 1 plusmn10-25hellip+753 1400hellip4000HC-33RW 2 plusmn20 2 plusmn15-25hellip+752 4000hellip61000HC-25RW 3 plusmn30 3 plusmn20-25hellip+751 4000hellip61000HC-18RW 4 plusmn40 4 plusmn30-35hellip+75
5 plusmn50 5 plusmn50-25hellip+756 plusmn10-10hellip+607 plusmn20-10hellip+60
[ ] ( )[ ] NNRrA fffT max minus=minus θ
[ ] ( ) ( )[ ] ( )RrRrrT fffT θθθ max minus=minus
(613)
nţeirdquo) ndash TT - reprezintăla orice temperatură θR (dinţa de rezonanţă măsurată la
rin specificaţiile cuprinse icircn
iul deppm izare icircn
Tipulexecuţiei
N NormalăS Specială
(614)
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
130 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Rezonatorul cu cuarţ este echivalent din punct de vedere electric cu un circuit rezonant(oscilant) compus dintr-o inductanţă Lq o rezistenţă Rq şi o capacitate Cq legate icircn serie ca icircnfigura 69a Inductanţa Lq reprezintă masa cristalului capacitatea Cq elasticitatea sa şi Rqreprezintă frecările mecanice Aceşti parametrii se numesc parametrii dinamici ai rezonatorului
Capacitatea C0 din schema echivalentă reprezintă capacitatea electrozilor de contact lasuprafaţa cristalului şi este mult mai mare decacirct capacitatea proprie a cristalului (C0 gtgt Cq)Capacitatea C0 se numeşte capacitate statică
Ordinul de mărime al parametrilor dinamici şi statici ai cuarţului sunt- rezistenţa Rq este de 10 kΩ la 50 Hz se reduce la 1 kΩ icircntre 50 Hz şi 1MHz şi scade
pacircnă la 100 Ω peste 1 MHz- inductanţa Lq este de zeci de mH şi sute de H- capacitatea C0 este de cacircţiva pF- capacitatea Cq este de o sută de ori mai mică decacirct C0Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ are valori cuprinse icircntre 1000 şi 50000 sau
chiar 500000 pentru cristalele de cuarţ plasate icircn vid
a) b)
Fig 69 Circuitul echivalent al cristalului de cuarţ (a) şi dependenţa impedanţei acestuia icircn funcţie de frecvenţă (b)
Circuitul echivalent se comportă ca un circuit rezonant derivaţie Cristalul prezintă astfelo frecvenţă de rezonanţă serie fs pentru parametrii Rq Lq Cq şi o frecvenţă de rezonanţă derivaţiefp datorită capacităţii C0 a electrozilor de contact Cele două frecvenţe sunt apropriate ca mărime
Variaţia cu frecvenţa a impedanţei Z a circuitului echivalent al cristalului de cuarţ estereprezentată icircn figura 69b
Icircn funcţie de dependenţa impedanţei circuitului electric echivalent al rezonatorului cucuarţ de frecvenţă rezultă următoarele frecvenţe caracteristice [12]
Z
fO fs f p
Rq
Cq
Lq
C0
Re
Xe
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 131
bull frecvenţa de rezonanţă serie - f ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi minimă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa de antirezonanţă - fa ndash frecvenţa pentru care rezonatorul are impedanţă rezistivă(deci reactanţă nulă) şi maximă icircn condiţii de defazaj nul
bull frecvenţa minimă - fm - frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este minimăbull frecvenţa maximă - fn ndash frecvenţa la care impedanţa rezonatorului cu cuarţ este maximăbull frecvenţa de rezonanţă dinamică (serie ) -fs ndash frecvenţa pentru care reactanţa circuitului
serie se anulează
bull frecvenţa de rezonanţă paralel - fp ndash frecvenţa pentru care rezdevine maximă
bull frecvenţa nominală - fN ndash frecvenţa atribuită rezonatoruluiicircnscrisă pe carcasa sa
bull frecvenţa de lucru - fw - frecvenţa reală la care funcţionearezonatorul conectat icircn circuite de utilizare-măsură
bull frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină - fL ndash frecvenţa de rezonanţserie (icircn paralel) cu capacitatea de sarcină CL
unde capacitatea CL este necesară icircn scopul ajustării fvaloarea fN nominală impusă de utilizare)
La rezonatoare cu cuarţ de secţiune (de tăiere) AT caracterfactorului de calitate Q = 104 hellip 106 şi ale raportului r = C0 Cq =toate cazurile practice că fs = fm = f r şi fp = fn = fa Icircn acest caz rezonatorului cu cuarţ prezentat icircn figura 69a dependenţa de frecreprezenta prin diagrama simplificată din figura 69b
Icircn apropierea rezonanţei rezonatorul prezintă două frecvenţcare există următoarea relaţie de legătură
qqs
CLf
π21=
0
02
1
CCCCL
f
q
p
+
=π
( )Lq
LqqL
CCCCCCL
f
+++
=
0
02
1
π
(615)
istenţa circuitului echivalent
prin construcţie care este
ză (icircn condiţii specificate)
ă a rezonatorului conectat icircn
p
(616)
(617)
recvenţei de lucru fw la
izate prin valori ridicate ale102 hellip 104 se consideră icircnentru circuitul echivalent al
venţă a impedanţei se poate
e caracteristice fs şi fp icircntre
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
132 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Din reprezentările reactanţei (figura 69b) se poate observa că icircntre fs şi fp cristalul secomportă inductiv (Xeee gt 0) iar icircn afara acestui domeniu cristalul se comportă capacitiv (Xelt0)
6123 Ajustarea frecvenţei de rezonanţă
Utilizarea icircn practică a rezonatorului cu cuarţ impune uneori modificarea icircn anumite limitea frecvenţei de oscilaţie Această ajustare se obţine prin conectarea icircn serie sau icircn paralel a unorreactanţe [12]
Fig 610 Depea) fărăb) cu cc) cu c
01
CCff q
sp += (618)
a)fr=fs
+jX
f
fa=fp
Q
b)
+jX
ffL
fa=fpfr=fs
CL Q
+jX
C
c)
Q
ndenţa reactanţei rezonatorului cu cuarţ de frecvenţă icircn situaţiile capacitate de ldquotragererdquo (de sarcină)apacitate conectată icircn serieapacitate conectată icircn paralel
fL=fa=fpfr=fs
f
L
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 133
a) Ajustarea frecvenţei prin condensator de ajustarePentru ajustarea frecvenţei unui oscilator cu cuarţ la o anumită valoare se foloseşte o
capacitate suplimentară conectată icircn serie sau icircn paralel cu rezonatorul Capacitatea folosită icircnacest caz poartă denumirea de capacitate de ajustare sau de ldquotragererdquo Icircn figura 610a b c suntreprezentate dependenţa de frecvenţă a impedanţei rezonatorului cu cuarţ aflat icircn circuit fărăcapacitate (a) cu capacitate conectată icircn serie (b) cu capacitate conectată icircn paralel (c)
Frecvenţa de rezonanţă icircn sarcină fL a rezonatorului cu cuarţ conectat icircn serie sau icircnparalel cu o capacitate de sarcină CL este frecvenţa la care impedanţa electrică a combinaţieirezonator ndash capacitate (CL) este rezistivă
Icircn cazul icircn care rezonatorul este conectat icircn serie cu capacitatea de sarcină CL frecvenţa fLeste cea mai joasă dintre cele două frecvenţe caracteristice combinaţia funcţionacircnd icircn rezonanţăserie Dacă rezonatorul este conectat icircn parale cu capacitatea CL frecvenţa fL este cea mai icircnaltă şicombinaţia funcţionează icircn rezonanţă sau antirezonanţă
Modificarea frecvenţei rezonatorului cu cuarţ (fr) cu ajutorul unei capacităţi de sarcină(CL) (capacitate ldquode tragererdquo a cristalului) va fi
Rezistenţa echivalentă serie Rse a circuitului cu capacitate de sarcină este
Rezistenţa echivalentă paralel Rpe a circuitului cu capacitate d
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rrelaţia
201
+=
Lqse
CCRR
( )20
2
1Lq
peCCR
R+
=ω
qqrq
q
RCfRLQ
πω
21==
( )L
q
r
L
r
rL
CCC
ff
fff
+=∆=minus
02
( )L
LrL
CCCff
+=∆
02
(619)Lq
LqL
CCCCCL
f
+++
=
0
0 )(2
1
π
(622)
e sarcină este
(623)
ezonanţă serie este dată de
(624)
(620)
(621)
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
134 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Factorul de calitate al rezonatorului cu cuarţ icircn condiţii de rezonanţă icircn sarcină este dată derelaţia
b) Ajustarea frecvenţei prin bobine de ajustareLimitele modificării de frecvenţă sunt determinate de caracteristicile rezonatorului şi tipul
de circuit de corecţie utilizat Icircn figura 611 sunt reprezentate diagramele de variaţie alereactanţei circuitului obţinut prin introducerea elementelor reactive de tip inductiv icircn serie sau icircnparalel cu rezonatorul cu cuarţ
fs1 fs fs2 f
fp1 fs fp2
fp1 fs1 fs fp2 fs2
Fig611 Diagrama de variaţie a reactanţei rezonatorului la coneccorecţie icircn serie (a) paralel (b) şi mixt (c)
Introducerea inductanţelor de corecţie duce la apariţia unei a doua fserie relativ depărtată de rezonanţa utilă Conectarea icircn paralel cu rez
( ) ( )LqrL CCRffQ
+minus=
041
π (625)
X
Q Lpa)
Ls
Lp
Lp
X
QX
b)
c)
Q
tarea inductanţelor de
recvenţe de rezonanţăonatorul cu cuarţ a
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 135
inductanţelor de corecţie permite obţinerea unei game largi de variaţie a frecvenţei de oscilaţiedar factorul de calitate al rezonanţei utile scade (stabilitatea se reduce) La acestea se mai adaugăşi rezonanţele parazite determinate de armăturile cuarţului şi de către elementele de corecţieutilizate (icircndeosebi de la bobine) care pot determina funcţionarea incorectă a oscilatoareloracestea putacircnd sări pe una sau pe alta din frecvenţele parazite Din aceste motive icircn majoritateaaplicaţiilor se utilizează modul de corecţie cu reactanţă capacitivă conectată icircn serie curezonatorul cu cuarţ Icircn catalog frecvenţa de rezonanţă serie este dată pentru valoarea C1 = 30 pFsau pentru valoarea C1 = infin
613 Rezonatoare ceramice
Rezonatoarele ceramice fac parte din marea familie de rezonatoare piezoelectricedeoarece utilizează efectul piezoelectric al materialelor ceramice Materialele ceramice suntmateriale policristaline cu proprietăţi piezoelectrice asemănătoare cuarţului Structuramaterialelor ceramice este prezentată la punctul 62
Materialele ceramice utilizate icircn fabricarea dispozitivelor piezoelectrice sunt titanatul debariu ndashBaTiO3 - titanatul de plumb ndash PbTiO3 - zirconatul de plumb ndash PbZrO3 - niobatul de sodiundash NaNbO3 - fosfatul de aluminiu ndash AlPO4 - ceramica PZT care este o soluţie solidă de- Pb(Zr053Ti047)O3 -
Efectul piezoelectric şi principalii parametrii ai materialelor ceramice sunt prezentate lapunctul 611
6131 Caracteristici electrice Parametrii
Rezonatoarele ceramice sunt utilizate icircn diferite tipuri de circuite la care factorul destabilitate al frecvenţei de rezonanţă nu reclamă utilizarea rezonatoarelor cu cuarţ şi prezintăavantajele [23]- stabilitate icircn frecvenţă icircntr-o gamă largă de temperaturi- dimensiuni mici compacte uşoare şi economice- rezistenţă la şocuri mecanice- uşor adaptabile icircn circuite cu tranzistoare sau cu circuite integrate
Tabelul 69 Serii de rezonatoarelor ceramice şi caracteristici ale acestoraSeria Frecvenţa de lucru
[f0]Toleranţa Deviaţia de frecvenţă
cu temperatura[∆f0∆T]
Numărde pini lacapsulă
CSB 190 Hz 1250 kHzplusmn1kHz(190Hzhelliphelliphelliphelliphellip374kHz)plusmn2kHz(375800kHz)plusmn4kHz(801999kHz)plusmn05(10125MHz)
plusmn03 (-200C +800C) 2
CSA 126 MHz 30 MHz plusmn03 plusmn03 (-200C +800C) 2CSU 450 KHz 500 KHz plusmn2 KHz plusmn03 (-200C +800C) 3CST 2MHz 13 MHz plusmn05 plusmn04 (-200C +800C) 3HFC 2MHz 30 MHz plusmn05 plusmn05 (-200C +800C) 4
Icircn tabelul 69 deviaţia de frecvenţa cu temperatura [∆f0∆T] se măsoară icircn [K]
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
136 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
Frecvenţele de lucru sunt cuprinse icircntr-o plajă largă de la sute de Hz la zeci de MHzrezonatoarele ceramice fiind construite pe frecvenţe standardizate icircn funcţie de necesităţileindustriei radio-electronice
Rezonatoarele ceramice produse de firma Murata sunt grupate pe mai multe serii defabricaţie care acoperă domenii diferite de frecvenţă icircn raport cu utilizările practice Icircn tabelul69 sunt prezentate seriile de fabricaţie (CSACSB CSUCST şi HFC) ale rezonatoarele ceramiceşi caracteristicile principalele ale acestora [20]
Rezonatoarele ceramice din seria CSACSB au numai două terminale (tabelul 610) suntfabricate pe tipuri distincte pentru lucrul icircn circuite cu tranzistoare şi circuite integrate şi suntutilizate icircn- generatoare de oscilaţii sinusoidale şi oscilaţii dreptunghiulare- generatoare de semnale telefonice ton şi puls- generatoare de ceas pentru microprocesoare- sisteme de telecomandă- echipamente electronice industriale
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSBCSAbull CSB 200 D f0 = 200 Hz plusmn 1kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 455 E f0 = 455 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSB 500 P f0 = 500 Hz plusmn 2kHz ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 15 M K f0 = 15 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 800Cbull CSA 40 M G f0 = 4 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800Cbull CSA 10 M T f0 = 10 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn03 T = -200C hellip 800C
Circuitul electric echivalent şi valorile parametrilor echivalenţi pentru rezonatoarele ceramiceCSA 40 MG şi CSB 455 E sunt prezentate icircn tabelul 610
Tabelul 610 Valorile ale parametrilor electrici echivalenţiParametrii
electriciTipul de rezonator ceramic Schema electrică echivalentă
a rezonatoarelor ceramiceechivalenţi CSB 455 E CSA 40 MG
R1 75 Ω 10 ΩL1 71 mH 400 microHC1 18 pF 43 pFC0 260 pF 40 pFQm 2500 1250
Rezonatoarele ceramice din seria CSUCST (CSU pentru banda kHz şi CST pentru bandaMHz) prezintă trei terminale de acces la capsulă (tabelul 611) şi sunt recomandate de producătorpentru aplicaţii ca- sisteme de telecomandă- generatoare de ceas pentru microcalculatoare- echipamente de automatizare- generatoare DTMF- echipamente electronice industriale
C0
R1 L1 C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 137
Exemple de rezonatoare ceramice din seria CSUCSTbull CSU 455 f0 = 455 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CSU 480 f0 = 480 KHz plusmn 2KHz ∆f0∆T = plusmn 03 T = -200C hellip 800Cbull CST 250 MG f0 = 25 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 05 T = -200C hellip 800Cbull CST 800 MT f0 = 8 MHz plusmn 05 ∆f0∆T = plusmn 04 T = -200C hellip 800C
Seria de componente HFC ale firmei Murata sunt module oscilatoare icircncorporate icircncapsule prevăzute cu patru terminale (tabelul 611) şi sunt utilizate icircn aplicaţii ca- sistem de ceas pentru microprocesoare şi microcalculatoare- sistem de ceas pentru convertoare analog digitale- ceas pentru echipamente audio
Două exemple de astfel de componente care se alimentează la o tensiune de +5V plusmn 5 bull HFC 101F 1000 MB1 f0 = 10 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii TTLbull HFC 104F 2500 MA1 f0 = 25 MHz ∆f0∆T = plusmn05 T = -200C hellip 700Cpentru utilizări icircn circuite cu nivel de oscilaţii CMOS
Tabelul 611 Tipuri de capsule pentru rezonatoarele ceramiceSeria de rezonator Reprezentarea capsulei Specificaţii asupra
terminalelor
CSBCSA
CSUCST1 intrare2 masă3 ieşire
HFC4 +Vcc5 neconectat
614 Utilizări ale rezonatoa
Principalele aplicaţii ale rezoIcircn figura 612 este prezentat
condensatoarelor C1 şi C1 determină
CSB200D
1
3 2 1
CST800MT
HFC101F1000MB1
6 masă7 ieşire
relor piezoelectrice
natoarelor piezoelectrice sunt filtrele şi oscilatoarele un filtru scară conţinacircnd patru rezonatoare identice Valorile parametrii caracteristicii de transfer
2 3 4
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
138 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
In figura 613 sunt prezentate două oscilatore cu rezonatoare cu cuarţ pentruexemplificarea modului de utilizare a cuarţului
Fig 613 Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă paralel a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller
Oscilatoarele din figura 613 sunt realizate după schema icircn care frecvenţa de oscilaţie estedeterminată de rezonanţa paralel Icircn acest caz rezonatorul cu cuarţ lucrează ca o inductanţă cufactor de calitate foarte mare
Fig 614 Oscilator cu rezonator cu cuarţ realizat cu amplificator operaţional
R2 R1Q
A
+
-
R3
b)
-
+
A
Q
R3R1
a)
R2
A
Q2 Q3C6C2
Q1 C1 C3 C4 C5 C7 Q4
Fig612 Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice
a) b)
C2
T
Q
L
T
C1
Q
C2
C1
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
COMPONENTE PASIVE SPECIALE 139
Oscilatoarele cu frecvenţă de oscilaţie foarte stabilă se obţin cacircnd frecvenţa de oscilaţieeste determinată de rezonanţa serie situaţie icircn care rezonatorul din cuarţ este folosit drept reţeade reacţie selectivă
Schemele tipice sunt reprezentate icircn figura 614 rezonatorul cu cuarţ putacircnd fi conectat peramura de reacţie negativă (fig614b) sau pe ramura de reacţie pozitivă (fig614a) aamplificatorului operaţional
Oscilatoarele care folosesc rezonatoare cu cuarţ pe moduri superioare (frecvenţe overtone)prezintă scheme electrice asemănătoare figura 615 Pentru acestea se impun următoarelecondiţii
bc
dreM
T
Q
Lp
- Ee
Re
L
C1
C2
+Fig 615 Oscilator Pierce cu rezonator
- amplificatorul utilizat trebuie să fieselectiv din punct de vedere alfrecvenţei reglat pe frecvenţa de lucru arezonatorului pentru a se evita saltul pe ofrecvenţă parazită- capacitatea paralel a rezonatorului C0(determinată de armături) trebuie să aibăo reactanţă mică la frecvenţe ridicatepentru a se micşora panta de variaţie afazei la rezonanţa serie pentru aceastacapacitatea C0 va fi compensată cu oinductanţă paralel (fig 611b)
Acordul fin al oscilatoarelor cu rezonatoare cu cuarţ este impus de necesitatea acordării icircnanda de lucru a instalaţiilor de radio-emisie şi de radio-recepţie Acordul se realizează prinonectarea reactanţelor de corecţie aşa cum s-a prezentat (pct 6123)
Rezonatoarele ceramice de tipul CSB 455E şi CSB 480E sunt utilizate icircn cadrul sistemelore telecomandă a receptoarelor de televiziune pentru controlul frecvenţei sistemului de emisie-cepţie (fig 616) Rezonatorul ceramic de tipul CSB 455E este utilizat cu circuitul integrat50110P icircn emiţătorul de telecomandă iar rezonatorul ceramic de tipul CSB 480E este utilizat
Fig 616 Rezonatoare ceramice utilizate icircn sisteme de telecomandă TV
16 M50111P (Receiver)1 2 3
+5V
R=56KΩ
Q
2x100pF
Q
2x100pF
16 14 M50110P (Transmitter)1 2 3 4
+3V
cu cuarţ pe frecvenţă de mod superior
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura
140 COMPONENTE PASIVE DE CIRCUIT
cu circuitul integrat M50111P icircn receptorul de telecomandă Aceste tipuri de rezonatoareceramice lucrează pe frecvenţele de 455 KHz şi respectiv 480 KHz
Tehnica de calcul reprezintă domeniul icircn care rezonatoarele ceramice au găsit largăaplicabilitate Sistemele de ceas (clock) pentru microprocesoare microcalculatoare pentruconvertoarele analog ndash digitale pentru multiplexoare şi pentru echipamentele audio suntexecutate icircn jurul unui rezonator ceramic Pentru această gamă largă de aplicaţii au fost produserezonatoare pentru o multitudine de frecvenţe de rezonanţă Firma Murata produce icircn afară detipurile CSA şi CSB pentru aplicaţiile enumerate şi rezonatoare ceramice de tipul CSU şi CSTcare acoperă domeniul frecvenţelor de 450 ndash 500 KHz şi respectiv 2 ndash 13 MHz Icircn fig 617 suntprezentate două circuite de măsură a frecvenţei de oscilaţie pentru rezonatoarele de tipul CSU CST şi diagramele de variaţie a stabilităţii frecvenţei icircn raport cu temperatura pentru treirezonatoare cu frecvenţele de rezonanţă alese din icircntregul domeniu de oscilaţie acoperit
Fig617 Circuite de măsură a fr Variaţia stabilităţii frec
+V
La frecvenţmetru
14 IC CD4069UBE
R
QCST
14 IC CD4069UBE
R
QCSU
La frecvenţmetru
+V
+5
0
-5
F
-40 0 40 80 T0C -40 0 40 80 T0C
F
-40 0 40 80 T0C
F
CSU 480P CST 110MT
CST 358MG
ecvenţei rezonatoarelor ceramicevenţei de oscilaţie cu temperatura