Кварцевый генератор — это электронная схема генератора , которая использует пьезоэлектрический кристалл в качестве частотно-селективного элемента . [1] [2] [3] Частота генератора часто используется для отслеживания времени, как в кварцевых наручных часах , для обеспечения стабильного тактового сигнала для цифровых интегральных схем и для стабилизации частот для радиопередатчиков и приемников . Наиболее распространенным типом используемого пьезоэлектрического резонатора является кварцевый кристалл, поэтому схемы генераторов, включающие их, стали известны как кварцевые генераторы. [1] Однако в подобных схемах используются и другие пьезоэлектрические материалы, включая поликристаллическую керамику.
Кварцевый генератор основан на небольшом изменении формы кварцевого кристалла под действием электрического поля , свойстве, известном как обратное пьезоэлектричество . Напряжение, приложенное к электродам на кристалле, заставляет его менять форму; когда напряжение снимается, кристалл генерирует небольшое напряжение, упруго возвращаясь к своей первоначальной форме. Кварц колеблется на стабильной резонансной частоте, ведя себя как RLC-цепь , но с гораздо более высоким Q-фактором (меньшие потери энергии на каждом цикле колебаний). Как только кварцевый кристалл настроен на определенную частоту (на которую влияет масса электродов, прикрепленных к кристаллу, ориентация кристалла, температура и другие факторы), он поддерживает эту частоту с высокой стабильностью. [4]
Кварцевые кристаллы производятся для частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. По состоянию на 2003 год ежегодно производилось около двух миллиардов кристаллов. [5] Большинство из них используются в потребительских устройствах, таких как наручные часы , настенные часы , радиоприемники , компьютеры и мобильные телефоны . Однако в приложениях, где требуются небольшие размеры и вес, кристаллы можно заменить тонкопленочными объемными акустическими резонаторами , особенно если требуется сверхвысокочастотный (более примерно 1,5 ГГц) резонанс. Кварцевые кристаллы также встречаются внутри испытательного и измерительного оборудования, такого как счетчики, генераторы сигналов и осциллографы .
Кварцевый генератор — это схема типа электрического генератора , которая использует пьезоэлектрический резонатор, кристалл, в качестве частотно-определяющего элемента. Кристалл — это общепринятый термин, используемый в электронике для частотно-определяющего компонента, пластины кварцевого кристалла или керамики с подключенными к ней электродами. Более точным термином для «кристалла» является пьезоэлектрический резонатор . Кристаллы также используются в других типах электронных схем, таких как кристаллические фильтры .
Пьезоэлектрические резонаторы продаются как отдельные компоненты для использования в схемах кварцевых генераторов. Они также часто включаются в один корпус со схемой кварцевого генератора.
Пьезоэлектричество было открыто Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен первым исследовал кварцевые резонаторы для использования в гидролокаторах во время Первой мировой войны. Первый кварцевый генератор , использующий кристалл сегнетовой соли , был построен в 1917 году и запатентован [6] в 1918 году Александром М. Николсоном в Bell Telephone Laboratories , хотя его приоритет оспаривал Уолтер Гайтон Кэди . [7] Кэди построил первый кварцевый генератор в 1921 году. [8] Другими ранними новаторами в области кварцевых генераторов являются Г. В. Пирс и Луис Эссен .
Кварцевые генераторы были разработаны для высокостабильных опорных частот в 1920-х и 1930-х годах. До появления кристаллов радиостанции контролировали свою частоту с помощью настроенных схем , которые могли легко отклоняться от частоты на 3–4 кГц. [9] Поскольку вещательным станциям назначались частоты всего на 10 кГц (в Северной и Южной Америке) или на 9 кГц (в других местах), помехи между соседними станциями из-за дрейфа частоты были обычной проблемой. [9] В 1925 году Westinghouse установила кварцевый генератор на своей флагманской станции KDKA, [9] и к 1926 году кварцевые кристаллы использовались для управления частотой многих вещательных станций и были популярны среди радиолюбителей. [10] В 1928 году Уоррен Маррисон из Bell Telephone Laboratories разработал первые кварцевые часы . С точностью до 1 секунды за 30 лет (30 мс/год или 0,95 нс/с) [8] кварцевые часы заменили прецизионные маятниковые часы в качестве самых точных хронометров в мире, пока в 1950-х годах не были разработаны атомные часы . Используя ранние разработки Bell Labs, AT&T в конечном итоге основала свое подразделение Frequency Control Products, позже отделившееся и известное сегодня как Vectron International. [11]
В это время ряд фирм начали производить кварцевые кристаллы для электронных нужд. Используя то, что сейчас считается примитивными методами, в 1939 году в Соединенных Штатах было произведено около 100 000 кристаллических единиц. Во время Второй мировой войны кристаллы изготавливались из природного кварцевого кристалла, практически все из Бразилии . Дефицит кристаллов во время войны, вызванный потребностью в точном контроле частоты военных и военно-морских радиостанций и радаров, подстегнул послевоенные исследования по выращиванию синтетического кварца, и к 1950 году в Bell Laboratories был разработан гидротермальный процесс выращивания кварцевых кристаллов в коммерческих масштабах . К 1970-м годам практически все кристаллы, используемые в электронике, были синтетическими.
В 1968 году Юрген Штаудте, работая в компании North American Aviation (ныне Rockwell ), изобрел фотолитографический процесс изготовления кварцевых генераторов, что позволило сделать их достаточно маленькими для портативных устройств, таких как часы. [12]
Хотя в кварцевых генераторах по-прежнему чаще всего используются кварцевые кристаллы, все более распространенными становятся устройства, использующие другие материалы, например, керамические резонаторы .
Кристалл — это твердое тело , в котором составляющие его атомы , молекулы или ионы упакованы в регулярно упорядоченный, повторяющийся узор, простирающийся во всех трех пространственных измерениях.
Почти любой объект, изготовленный из эластичного материала, может быть использован как кристалл с соответствующими преобразователями , поскольку все объекты имеют собственные резонансные частоты вибрации . Например, сталь очень эластична и имеет высокую скорость звука. Она часто использовалась в механических фильтрах до кварца. Резонансная частота зависит от размера, формы, эластичности и скорости звука в материале. Высокочастотные кристаллы обычно вырезаются в форме простого прямоугольника или круглого диска. Низкочастотные кристаллы, такие как те, которые используются в цифровых часах, обычно вырезаются в форме камертона . Для приложений, не требующих очень точной синхронизации, вместо кварцевого кристалла часто используется недорогой керамический резонатор .
Когда кристалл кварца правильно вырезан и установлен, его можно заставить деформироваться в электрическом поле , прикладывая напряжение к электроду вблизи или на кристалле. Это свойство известно как обратное пьезоэлектричество . Когда поле снимается, кварц генерирует электрическое поле, возвращаясь к своей предыдущей форме, и это может генерировать напряжение. В результате кварцевый кристалл ведет себя как RLC-цепь , состоящая из индуктора , конденсатора и резистора , с точной резонансной частотой.
Кварц имеет еще одно преимущество: его упругие константы и его размер изменяются таким образом, что зависимость частоты от температуры может быть очень низкой. Конкретные характеристики зависят от режима вибрации и угла, под которым кварц разрезается (относительно его кристаллографических осей). [13] Поэтому резонансная частота пластины, которая зависит от ее размера, не сильно меняется. Это означает, что кварцевые часы, фильтр или генератор остаются точными. Для критических применений кварцевый генератор устанавливается в контейнере с контролируемой температурой, называемом кристаллической печью , и также может быть установлен на амортизаторах для предотвращения возмущения внешними механическими вибрациями.
Кристалл кварца можно смоделировать как электрическую сеть с низкоимпедансными ( последовательными) и высокоимпедансными (параллельными) резонансными точками, расположенными близко друг к другу. Математически, используя преобразование Лапласа , импеданс этой сети можно записать как:
или
где — комплексная частота ( ), — угловая частота последовательного резонанса , — угловая частота параллельного резонанса.
Добавление емкости через кристалл приводит к уменьшению (параллельной) резонансной частоты. Добавление индуктивности через кристалл приводит к увеличению (параллельной) резонансной частоты. Эти эффекты можно использовать для регулировки частоты, на которой колеблется кристалл. Производители кристаллов обычно режут и подгоняют свои кристаллы, чтобы иметь определенную резонансную частоту с известной «нагрузочной» емкостью, добавленной к кристаллу. Например, кристалл, предназначенный для нагрузки 6 пФ, имеет свою определенную параллельную резонансную частоту, когда к нему подключен конденсатор 6,0 пФ. Без нагрузочной емкости резонансная частота выше.
Кварцевый кристалл обеспечивает как последовательный, так и параллельный резонанс. Последовательный резонанс на несколько килогерц ниже параллельного. Кристаллы ниже 30 МГц обычно работают между последовательным и параллельным резонансом, что означает, что кристалл в работе выступает как индуктивное сопротивление , эта индуктивность образует параллельный резонансный контур с внешней параллельной емкостью.
Любая небольшая дополнительная емкость параллельно кристаллу понижает частоту. Более того, эффективное индуктивное сопротивление кристалла можно уменьшить, добавив конденсатор последовательно с кристаллом. Этот последний метод может обеспечить полезный метод подстройки частоты колебаний в узком диапазоне; в этом случае включение конденсатора последовательно с кристаллом повышает частоту колебаний. Чтобы кристалл работал на указанной частоте, электронная схема должна быть точно такой, как указано производителем кристалла. Обратите внимание, что эти моменты подразумевают тонкость, касающуюся кварцевых генераторов в этом диапазоне частот: кристалл обычно не колеблется точно на одной из своих резонансных частот.
Кристаллы выше 30 МГц (до >200 МГц) обычно работают при последовательном резонансе, где импеданс оказывается минимальным и равным последовательному сопротивлению. Для этих кристаллов указывается последовательное сопротивление (<100 Ом) вместо параллельной емкости. Чтобы достичь более высоких частот, кристалл можно заставить вибрировать на одном из его обертонных режимов, которые происходят вблизи кратных основной резонансной частоты. Используются только нечетные обертоны. Такой кристалл называют кристаллом 3-го, 5-го или даже 7-го обертона. Для достижения этого схема генератора обычно включает дополнительные LC-контуры для выбора нужного обертона.
Частотная характеристика кристалла зависит от формы или «среза» кристалла. Камертонный кристалл обычно вырезается таким образом, что его зависимость частоты от температуры является квадратичной с максимумом около 25 °C. [ требуется цитирование ] Это означает, что камертонный кварцевый генератор резонирует вблизи своей целевой частоты при комнатной температуре, но замедляется, когда температура либо увеличивается, либо уменьшается от комнатной. Обычный параболический коэффициент для камертонного кристалла на 32 кГц составляет −0,04 ppm/°C 2 : [ требуется цитирование ]
В реальном применении это означает, что часы, построенные с использованием обычного камертонного кристалла с частотой 32 кГц, показывают точное время при комнатной температуре, но теряют 2 минуты в год при температуре на 10 °C выше или ниже комнатной и теряют 8 минут в год при температуре на 20 °C выше или ниже комнатной из-за кварцевого кристалла.
Схема кварцевого генератора поддерживает колебания, принимая сигнал напряжения от кварцевого резонатора , усиливая его и подавая обратно в резонатор. Скорость расширения и сжатия кварца является резонансной частотой и определяется разрезом и размером кристалла. Когда энергия генерируемых выходных частот соответствует потерям в схеме, колебания могут поддерживаться.
Кристалл осциллятора имеет две электропроводящие пластины, между которыми зажат срез или камертон из кварцевого кристалла. Во время запуска управляющая схема помещает кристалл в неустойчивое равновесие , и из-за положительной обратной связи в системе любая крошечная часть шума усиливается, усиливая колебания. Кристаллический резонатор также можно рассматривать как высокочастотно-избирательный фильтр в этой системе: он пропускает только очень узкий поддиапазон частот вокруг резонансного, ослабляя все остальное. В конечном итоге активна только резонансная частота. По мере того, как генератор усиливает сигналы, выходящие из кристалла, сигналы в полосе частот кристалла становятся сильнее, в конечном итоге доминируя на выходе генератора. Узкая резонансная полоса кварцевого кристалла отфильтровывает нежелательные частоты.
Выходная частота кварцевого генератора может быть либо частотой основного резонанса, либо кратной этому резонансу, называемой гармонической частотой. Гармоники являются точным целым кратным основной частоты. Но, как и многие другие механические резонаторы, кристаллы демонстрируют несколько режимов колебаний, обычно приблизительно на нечетных целых кратных основной частоты. Они называются «обертонными модами», и схемы генератора могут быть спроектированы для их возбуждения. Обертонные моды находятся на частотах, которые являются приблизительными, но не точными нечетными целыми кратными частоты основного режима, и поэтому обертонные частоты не являются точными гармониками основного режима.
Высокочастотные кристаллы часто проектируются для работы на третьем, пятом или седьмом обертонах. Производители испытывают трудности с производством кристаллов, достаточно тонких для производства основных частот свыше 30 МГц. Для производства более высоких частот производители делают обертонные кристаллы, настроенные на установку 3-го, 5-го или 7-го обертона на желаемую частоту, поскольку они толще и, следовательно, их легче производить, чем основной кристалл, который будет производить ту же частоту, хотя возбуждение желаемой частоты обертона требует немного более сложной схемы генератора. [14] [15] [16] [17] [18] Основная схема кварцевого генератора проще и эффективнее и имеет большую вытягиваемость, чем схема третьего обертона. В зависимости от производителя, самая высокая доступная основная частота может составлять от 25 МГц до 66 МГц. [19] [20]
Основной причиной широкого использования кварцевых генераторов является их высокий коэффициент добротности . Типичное значение добротности для кварцевого генератора составляет от 10 4 до 10 6 , по сравнению с, возможно, 10 2 для LC-генератора . Максимальную добротность для высокостабильного кварцевого генератора можно оценить как Q = 1,6 × 10 7 / f , где f — резонансная частота в мегагерцах. [21] [22]
Одной из важнейших особенностей кварцевых генераторов является то, что они могут демонстрировать очень низкий фазовый шум . Во многих генераторах любая спектральная энергия на резонансной частоте усиливается генератором, что приводит к набору тонов на разных фазах. В кварцевом генераторе кристалл вибрирует в основном по одной оси, поэтому доминирует только одна фаза. Это свойство низкого фазового шума делает их особенно полезными в телекоммуникациях, где требуются стабильные сигналы, и в научном оборудовании, где требуются очень точные временные привязки.
Изменения окружающей среды, такие как температура, влажность, давление и вибрация, могут изменить резонансную частоту кварцевого кристалла, но существует несколько конструкций, которые уменьшают эти эффекты окружающей среды. К ним относятся TCXO, MCXO и OCXO , которые определены ниже. Эти конструкции, в частности OCXO, часто производят устройства с превосходной краткосрочной стабильностью. Ограничения краткосрочной стабильности обусловлены в основном шумом от электронных компонентов в цепях генератора. Долгосрочная стабильность ограничена старением кристалла.
Из-за старения и факторов окружающей среды (таких как температура и вибрация) даже самые лучшие кварцевые генераторы трудно удерживать в пределах одной части в 10 10 от их номинальной частоты без постоянной регулировки. По этой причине атомные генераторы используются для приложений, требующих лучшей долговременной стабильности и точности.
Для кристаллов, работающих в последовательном резонансе или оторванных от основного режима включением последовательного индуктора или конденсатора, могут наблюдаться значительные (и зависящие от температуры) побочные реакции. Хотя большинство побочных режимов обычно на несколько десятков килогерц выше желаемого последовательного резонанса, их температурный коэффициент отличается от основного режима, и побочный отклик может проходить через основной режим при определенных температурах. Даже если последовательные сопротивления на ложных резонансах кажутся выше, чем на желаемой частоте, быстрое изменение последовательного сопротивления основного режима может происходить при определенных температурах, когда две частоты совпадают. Следствием этих провалов активности является то, что генератор может синхронизироваться на ложной частоте при определенных температурах. Это обычно сводится к минимуму путем обеспечения того, чтобы поддерживающая схема имела недостаточное усиление для активации нежелательных режимов.
Паразитные частоты также генерируются при воздействии вибрации на кристалл. Это в небольшой степени модулирует резонансную частоту частотой вибраций. Кристаллы SC-cut (Stress Compensated) разработаны для минимизации частотного эффекта монтажного напряжения, и поэтому они менее чувствительны к вибрации. Эффекты ускорения, включая гравитацию, также уменьшаются с кристаллами SC-cut, как и изменение частоты со временем из-за долгосрочного изменения монтажного напряжения. У кристаллов сдвигового режима SC-cut есть недостатки, такие как необходимость для поддерживающего осциллятора различать другие тесно связанные нежелательные моды и повышенное изменение частоты из-за температуры при воздействии полного диапазона окружающей среды. Кристаллы SC-cut наиболее выгодны, когда возможен контроль температуры при их температуре нулевого температурного коэффициента (оборота), при этих обстоятельствах общая стабильность характеристик премиальных единиц может приближаться к стабильности рубидиевых стандартов частоты.
Кристаллы могут быть изготовлены для генерации в широком диапазоне частот, от нескольких килогерц до нескольких сотен мегагерц. Многие приложения требуют частоты кварцевого генератора, удобно связанной с некоторой другой желаемой частотой, поэтому сотни стандартных частот кристаллов производятся в больших количествах и хранятся дистрибьюторами электроники. Например, кристаллы 3,579545 МГц, которые производятся в больших количествах для цветных телевизионных приемников NTSC , популярны и для многих нетелевизионных приложений. Используя делители частоты , умножители частоты и схемы фазовой автоподстройки частоты , практично получать широкий диапазон частот из одной опорной частоты.
Наиболее распространенным материалом для кристаллов осцилляторов является кварц . В начале технологии использовались природные кристаллы кварца, но теперь преобладает синтетический кристаллический кварц, выращенный гидротермальным синтезом, из-за более высокой чистоты, низкой стоимости и более удобного обращения. Одно из немногих оставшихся применений природных кристаллов — это датчики давления в глубоких скважинах. Во время Второй мировой войны и некоторое время после нее природный кварц считался стратегическим материалом в США. Крупные кристаллы импортировались из Бразилии. Необработанный «ласкас», исходный материал кварца для гидротермального синтеза, импортируется в США или добывается на месте компанией Coleman Quartz. Средняя стоимость выращенного синтетического кварца в 1994 году составляла 60 долларов США /кг. [23]
Существуют два типа кварцевых кристаллов: левосторонние и правосторонние. Они различаются по оптическому вращению , но идентичны по другим физическим свойствам. Как левосторонние, так и правосторонние кристаллы могут использоваться для осцилляторов, если угол среза правильный. В производстве обычно используется правосторонний кварц. [24] Тетраэдры SiO4 образуют параллельные спирали; направление закручивания спирали определяет левую или правую ориентацию. Спирали выровнены вдоль оси c и объединены, разделяя атомы. Масса спиралей образует сетку малых и больших каналов, параллельных оси c. Большие достаточно велики, чтобы обеспечить некоторую подвижность более мелких ионов и молекул через кристалл. [25]
Кварц существует в нескольких фазах. При 573 °C при 1 атмосфере (и при более высоких температурах и более высоких давлениях) α-кварц претерпевает кварцевую инверсию , обратимо преобразуясь в β-кварц. Обратный процесс, однако, не является полностью однородным, и происходит двойникование кристаллов . Необходимо соблюдать осторожность при изготовлении и обработке, чтобы избежать фазового превращения. Другие фазы, например, более высокотемпературные фазы тридимит и кристобалит , не имеют значения для осцилляторов. Все кварцевые кристаллы осцилляторов относятся к типу α-кварца.
Инфракрасная спектрофотометрия используется как один из методов измерения качества выращенных кристаллов. Обычно используются волновые числа 3585, 3500 и 3410 см −1 . Измеренное значение основано на полосах поглощения радикала OH , и вычисляется инфракрасное значение Q. Кристаллы электронного качества, класс C, имеют Q 1,8 миллиона или выше; кристаллы высшего качества B имеют Q 2,2 миллиона, а специальные кристаллы высшего качества A имеют Q 3,0 миллиона. Значение Q рассчитывается только для области z; кристаллы, содержащие другие области, могут быть затронуты неблагоприятно. Другим показателем качества является плотность каналов травления; при травлении кристалла вдоль линейных дефектов создаются трубчатые каналы. Для обработки, включающей травление, например, кристаллов камертона наручных часов, желательна низкая плотность каналов травления. Плотность каналов травления для кварца с вытравкой составляет около 10–100 и значительно больше для кварца без вытравки. Наличие каналов травления и ямок травления ухудшает добротность резонатора и вносит нелинейности. [26]
Кристаллы кварца можно выращивать для определенных целей.
Кристаллы для АТ-огранки наиболее распространены в массовом производстве материалов для генераторов; форма и размеры оптимизированы для высокого выхода требуемых пластин . Высокочистые кристаллы кварца выращиваются с особо низким содержанием алюминия, щелочных металлов и других примесей и минимальными дефектами; низкое количество щелочных металлов обеспечивает повышенную стойкость к ионизирующему излучению. Кристаллы для наручных часов, для огранки камертона 32768 Гц кристаллы выращиваются с очень низкой плотностью каналов травления.
Кристаллы для приборов на ПАВ выращиваются в виде плоских кристаллов с крупными затравками размера X и низкой плотностью каналов травления.
Специальные кристаллы с высокой добротностью для использования в высокостабильных осцилляторах выращиваются на постоянной медленной скорости и имеют постоянное низкое поглощение инфракрасного излучения вдоль всей оси Z. Кристаллы могут быть выращены как Y-образный стержень с затравочным кристаллом в форме стержня, вытянутым вдоль оси Y, или как Z-образная пластина, выращенная из затравочной пластины с длиной направления оси Y и шириной оси X. [24] Область вокруг затравочного кристалла содержит большое количество дефектов кристалла и не должна использоваться для пластин.
Кристаллы растут анизотропно ; рост вдоль оси Z до 3 раз быстрее, чем вдоль оси X. Направление и скорость роста также влияют на скорость поглощения примесей. [27] Кристаллы Y-стержня или кристаллы Z-пластины с длинной осью Y имеют четыре области роста, обычно называемые +X, −X, Z и S. [28] Распределение примесей во время роста неравномерно; разные области роста содержат разные уровни примесей. Области Z являются самыми чистыми, небольшие иногда присутствующие области S являются менее чистыми, область +X еще менее чистая, а область -X имеет самый высокий уровень примесей. Примеси оказывают отрицательное влияние на радиационную стойкость , восприимчивость к двойникованию , потерю фильтрации и долгосрочную и краткосрочную стабильность кристаллов. [29] Различные срезанные затравки в разных ориентациях могут обеспечивать другие виды областей роста. [30] Скорость роста в направлении −X самая медленная из-за эффекта адсорбции молекул воды на поверхности кристалла; Примеси алюминия подавляют рост в двух других направлениях. Содержание алюминия наименьшее в области Z, больше в +X, но больше в −X и больше всего в S; размер областей S также увеличивается с увеличением количества присутствующего алюминия. Содержание водорода наименьшее в области Z, больше в области +X, но больше в области S и больше всего в −X. [31] Включения алюминия превращаются в цветные центры при гамма-облучении, вызывая потемнение кристалла пропорционально дозе и уровню примесей; наличие областей с разной темнотой выявляет разные области роста.
Доминирующим типом дефекта , вызывающего беспокойство в кристаллах кварца, является замена атома Si (IV ) на Al (III ) в кристаллической решетке . Ион алюминия имеет связанный с ним межузельный компенсатор заряда, присутствующий поблизости, который может быть ионом H + (присоединенным к близлежащему кислороду и образующим гидроксильную группу , называемую дефектом Al−OH), ионом Li + , ионом Na + , ионом K + (реже) или электронной дыркой , захваченной на близлежащей орбитали атома кислорода. Состав раствора для роста, будь то на основе лития или щелочных соединений натрия, определяет ионы, компенсирующие заряд для дефектов алюминия. Ионные примеси вызывают беспокойство, поскольку они не прочно связаны и могут мигрировать через кристалл, изменяя локальную эластичность решетки и резонансную частоту кристалла. Другие распространенные примеси, вызывающие беспокойство, включают, например, железо (III) (внедоузельное), фтор, бор (III), фосфор (V) (замещение), титан (IV) (замещение, повсеместно присутствует в магматическом кварце, реже в гидротермальном кварце) и германий (IV) (замещение). Ионы натрия и железа могут вызывать включения кристаллов акнита и элемезита. Включения воды могут присутствовать в быстрорастущих кристаллах; молекулы междоузельной воды в изобилии присутствуют вблизи затравки кристалла. Другим важным дефектом является дефект роста, содержащий водород, когда вместо структуры Si−O−Si образуется пара групп Si−OH HO−Si; по сути, гидролизованная связь. Быстрорастущие кристаллы содержат больше дефектов водорода, чем медленнорастущие. Эти дефекты роста являются источником ионов водорода для процессов, вызванных излучением, и формирования дефектов Al-OH. Примеси германия имеют тенденцию захватывать электроны, созданные во время облучения; катионы щелочных металлов затем мигрируют к отрицательно заряженному центру и образуют стабилизирующий комплекс. Также могут присутствовать дефекты матрицы; вакансии кислорода, вакансии кремния (обычно компенсируемые 4 атомами водорода или 3 атомами водорода и дыркой), пероксидные группы и т. д. Некоторые из дефектов создают локализованные уровни в запрещенной зоне, служащие ловушками заряда; Al(III) и B(III) обычно служат ловушками дырок, в то время как вакансии электронов, атомы титана, германия и фосфора служат ловушками электронов. Захваченные носители заряда могут быть освобождены при нагревании; их рекомбинация является причиной термолюминесценции .
Подвижность интерстициальных ионов сильно зависит от температуры. Ионы водорода подвижны до 10 К, но ионы щелочных металлов становятся подвижными только при температурах около и выше 200 К. Гидроксильные дефекты можно измерить с помощью ближней инфракрасной спектроскопии. Захваченные дырки можно измерить с помощью электронного спинового резонанса . Дефекты Al−Na + проявляются как пик акустических потерь из-за их движения, вызванного напряжением; дефекты Al−Li + не образуют потенциальную яму, поэтому не могут быть обнаружены таким образом. [32] Некоторые из дефектов, вызванных излучением, во время их термического отжига производят термолюминесценцию ; дефекты, связанные с алюминием, титаном и германием, можно выделить. [33]
Кристаллы Swept — это кристаллы, прошедшие процесс твердотельной электродиффузионной очистки. Sweeping включает нагревание кристалла выше 500 °C в атмосфере, не содержащей водорода, с градиентом напряжения не менее 1 кВ/см в течение нескольких часов (обычно более 12). Миграция примесей и постепенное замещение ионов щелочных металлов водородом (при Sweeting на воздухе) или электронными дырками (при Sweeting в вакууме) вызывает слабый электрический ток через кристалл; спад этого тока до постоянного значения сигнализирует об окончании процесса. Затем кристалл оставляют остывать, при этом поддерживается электрическое поле. Примеси концентрируются в катодной области кристалла, которая затем отсекается и выбрасывается. [34] Кристаллы Sweeping обладают повышенной устойчивостью к радиации, поскольку эффекты дозы зависят от уровня примесей щелочных металлов; они подходят для использования в устройствах, подвергающихся воздействию ионизирующего излучения, например, для ядерной и космической техники. [35] Продувка в вакууме при более высоких температурах и более высокой напряженности поля дает еще более радиационно-стойкие кристаллы. [36] Уровень и характер примесей можно измерить с помощью инфракрасной спектроскопии. [37] Кварц можно продувать как в α-, так и в β-фазе; продувка в β-фазе происходит быстрее, но фазовый переход может вызвать двойникование. Двойникование можно смягчить, подвергая кристалл сжимающему напряжению в направлении X или электрическому полю переменного или постоянного тока вдоль оси X, пока кристалл охлаждается через область температуры фазового превращения. [36]
Прогонку можно также использовать для введения одного вида примеси в кристалл. Прогонные кристаллы лития, натрия и водорода используются, например, для изучения поведения кварца.
Очень маленькие кристаллы для высоких частот основной моды могут быть изготовлены методом фотолитографии. [26]
Кристаллы можно настроить на точные частоты с помощью лазерной подгонки . Метод, используемый в мире любительского радио для небольшого уменьшения частоты кристалла, может быть достигнут путем воздействия на кристаллы с серебряными электродами паров йода , что вызывает небольшое увеличение массы на поверхности за счет образования тонкого слоя йодида серебра ; такие кристаллы, однако, имели проблемную долгосрочную стабильность. Другой обычно используемый метод - электрохимическое увеличение или уменьшение толщины серебряного электрода путем погружения резонатора в лазурит , растворенный в воде, лимонной кислоте в воде или воде с солью, и использования резонатора в качестве одного электрода, а небольшого серебряного электрода - в качестве другого.
Выбирая направление тока, можно либо увеличить, либо уменьшить массу электродов. Подробности были опубликованы в журнале "Радио" (3/1978) UB5LEV.
Не рекомендуется повышать частоту путем соскабливания частей электродов, так как это может повредить кристалл и снизить его добротность . Для регулировки частоты контура генератора можно также использовать подстроечные конденсаторы.
Могут быть использованы и некоторые другие пьезоэлектрические материалы , помимо кварца. К ним относятся монокристаллы танталата лития , ниобата лития , бората лития , берлинита , арсенида галлия , тетрабората лития , фосфата алюминия , оксида висмута-германия , поликристаллической керамики титаната циркония, высокоглиноземистой керамики, композита кремния и оксида цинка или дикалийтартрата . [38] [39] Некоторые материалы могут быть более подходящими для определенных применений. Кристалл генератора также может быть изготовлен путем нанесения материала резонатора на поверхность кремниевого чипа. [40] Кристаллы фосфата галлия , лангасита , ланганита и лангатата примерно в 10 раз более вытягиваемы, чем соответствующие кристаллы кварца, и используются в некоторых генераторах VCXO. [41]
Стабильность частоты определяется добротностью кристалла . Она обратно пропорциональна частоте и константе, зависящей от конкретного среза. Другими факторами, влияющими на добротность, являются используемый обертон, температура, уровень возбуждения кристалла, качество обработки поверхности, механические напряжения, накладываемые на кристалл при склеивании и монтаже, геометрия кристалла и прикрепленных электродов, чистота материала и дефекты в кристалле, тип и давление газа в корпусе, мешающие моды, а также наличие и поглощенная доза ионизирующего и нейтронного излучения.
Стабильность кристаллов AT-среза снижается с ростом частоты. Для более точных высоких частот лучше использовать кристалл с более низкой основной частотой, работающий на обертоне.
Плохо спроектированная схема генератора может внезапно начать колебаться на обертоне . В 1972 году поезд во Фремонте, Калифорния, потерпел крушение из-за неисправного генератора. Несоответствующее значение конденсатора накопителя привело к перегрузке кристалла на плате управления, переходу на обертон и ускорению поезда вместо замедления. [42]
Температура влияет на рабочую частоту; используются различные формы компенсации, от аналоговой компенсации (TCXO) и компенсации микроконтроллера (MCXO) до стабилизации температуры с помощью кристаллической печи (OCXO). Кристаллы обладают температурным гистерезисом ; частота при заданной температуре, достигаемая путем повышения температуры, не равна частоте при той же температуре, достигаемой путем понижения температуры. Температурная чувствительность зависит в первую очередь от среза; температурно-компенсированные срезы выбираются таким образом, чтобы минимизировать зависимость частоты/температуры. Специальные срезы могут быть сделаны с линейными температурными характеристиками; срез LC используется в кварцевых термометрах. Другими влияющими факторами являются используемый обертон, крепление и электроды, примеси в кристалле, механическая деформация, геометрия кристалла, скорость изменения температуры, тепловая история (из-за гистерезиса), ионизирующее излучение и уровень возбуждения.
Кристаллы склонны страдать от аномалий в своих характеристиках частота/температура и сопротивление/температура, известных как провалы активности. Это небольшие отклонения частоты вниз или сопротивления вверх, локализованные при определенных температурах, причем их температурное положение зависит от значения нагрузочных конденсаторов.
Механические напряжения также влияют на частоту. Напряжения могут быть вызваны монтажом, склеиванием и применением электродов, дифференциальным тепловым расширением монтажа, электродов и самого кристалла, дифференциальными тепловыми напряжениями при наличии градиента температуры, расширением или усадкой связующих материалов во время отверждения, давлением воздуха, которое передается давлению окружающей среды внутри корпуса кристалла, напряжениями самой кристаллической решетки (неравномерный рост, примеси, дислокации), дефектами поверхности и повреждениями, вызванными во время производства, и действием силы тяжести на массу кристалла; поэтому частота может зависеть от положения кристалла. Другими факторами, вызывающими динамическое напряжение, являются удары, вибрации и акустический шум. Некоторые разрезы менее чувствительны к напряжениям; примером является разрез SC (Stress Compensated). Изменения атмосферного давления также могут вызывать деформации корпуса, влияя на частоту путем изменения паразитных емкостей.
Влажность воздуха влияет на теплопередающие свойства воздуха и может изменять электрические свойства пластмасс путем диффузии молекул воды в их структуру, изменяя диэлектрические постоянные и электропроводность . [43]
Другими факторами, влияющими на частоту, являются напряжение источника питания, сопротивление нагрузки, магнитные поля, электрические поля (в случае чувствительных к ним разрезов, например, разрезов SC), наличие и поглощенная доза γ-частиц и ионизирующего излучения, а также возраст кристалла.
Кристаллы претерпевают медленное постепенное изменение частоты со временем, известное как старение. В этом участвует много механизмов. Крепление и контакты могут подвергаться снятию встроенных напряжений. Молекулы загрязнений либо из остаточной атмосферы, либо выделяемые из кристалла, электродов или упаковочных материалов, либо вводимые во время герметизации корпуса, могут адсорбироваться на поверхности кристалла, изменяя его массу; этот эффект используется в кварцевых микровесах . Состав кристалла может постепенно изменяться за счет выделения газа, диффузии атомов примесей или миграции с электродов, или решетка может быть повреждена излучением. Медленные химические реакции могут происходить на кристалле или в нем, или на внутренних поверхностях корпуса. Материал электрода, например хром или алюминий, может реагировать с кристаллом, создавая слои оксида металла и кремния; эти интерфейсные слои могут претерпевать изменения со временем. Давление в корпусе может меняться из-за изменения атмосферного давления, температуры, утечек или выделения газа из материалов внутри. Факторы, находящиеся вне самого кристалла, например, старение схемы генератора (и например, изменение емкостей) и дрейф параметров печи кристалла. Состав внешней атмосферы также может влиять на старение; водород может диффундировать через никелевый корпус. Гелий может вызывать похожие проблемы, когда он диффундирует через стеклянные оболочки рубидиевых стандартов . [44]
Золото является предпочтительным материалом электродов для резонаторов с низким старением; его адгезия к кварцу достаточно сильна, чтобы поддерживать контакт даже при сильных механических ударах, но достаточно слаба, чтобы не выдерживать значительные градиенты деформации (в отличие от хрома, алюминия и никеля). Золото также не образует оксидов; оно адсорбирует органические загрязнители из воздуха, но их легко удалить. Однако золото само по себе может подвергаться расслоению; поэтому для улучшения прочности связи иногда используют слой хрома. Серебро и алюминий часто используются в качестве электродов; однако оба они со временем образуют оксидные слои, что увеличивает массу кристалла и снижает частоту. Серебро можно пассивировать путем воздействия паров йода , образуя слой йодида серебра . Алюминий легко окисляется, но медленно, пока не будет достигнута толщина около 5 нм; повышенная температура во время искусственного старения не приводит к значительному увеличению скорости образования оксида; толстый оксидный слой может быть сформирован во время изготовления путем анодирования . [45] Воздействие паров йода на посеребренный кристалл также может быть использовано в любительских условиях для небольшого понижения частоты кристалла; частоту можно также повысить, соскабливая части электродов, но это сопряжено с риском повреждения кристалла и потери добротности.
Смещение постоянного напряжения между электродами может ускорить начальное старение, вероятно, за счет индуцированной диффузии примесей через кристалл. Размещение конденсатора последовательно с кристаллом и резистора в несколько мегаом параллельно может минимизировать такие напряжения.
Старение уменьшается логарифмически со временем, самые большие изменения происходят вскоре после изготовления. Искусственное старение кристалла путем длительного хранения при температуре от 85 до 125 °C может повысить его долгосрочную стабильность.
Кристаллы чувствительны к удару . Механическое напряжение вызывает кратковременное изменение частоты осциллятора из-за чувствительности кристалла к напряжению и может внести постоянное изменение частоты из-за вызванных ударом изменений крепления и внутренних напряжений (если превышены пределы упругости механических частей), десорбции загрязнений с поверхностей кристалла или изменения параметров цепи осциллятора. Высокие величины ударов могут оторвать кристаллы от их креплений (особенно в случае больших низкочастотных кристаллов, подвешенных на тонких проволоках) или вызвать растрескивание кристалла. Кристаллы без поверхностных дефектов обладают высокой ударопрочностью; химическая полировка может производить кристаллы, способные выдерживать десятки тысяч g . [46]
Кристаллы не имеют внутренних механизмов отказа; некоторые из них работают в устройствах десятилетиями. Однако отказы могут быть вызваны дефектами в соединении, негерметичными корпусами, коррозией, сдвигом частоты из-за старения, разрушением кристалла слишком сильным механическим ударом или радиационным повреждением при использовании непродуваемого кварца . [47] Кристаллы также могут быть повреждены перегрузкой.
Кристаллы также страдают от незначительных кратковременных флуктуаций частоты. Основными причинами такого шума являются, например, тепловой шум (который ограничивает уровень шума), рассеяние фононов (под влиянием дефектов решетки), адсорбция/десорбция молекул на поверхности кристалла, шум цепей осциллятора, механические удары и вибрации, изменения ускорения и ориентации, температурные колебания и снятие механических напряжений. Кратковременная стабильность измеряется четырьмя основными параметрами: дисперсией Аллана (наиболее распространенной, указанной в технических характеристиках осцилляторов), фазовым шумом, спектральной плотностью фазовых отклонений и спектральной плотностью дробных отклонений частоты. Эффекты ускорения и вибрации, как правило, доминируют над другими источниками шума; устройства на поверхностных акустических волнах, как правило, более чувствительны, чем устройства на объемных акустических волнах (BAW), а разрезы с компенсацией напряжений еще менее чувствительны. Относительная ориентация вектора ускорения к кристаллу существенно влияет на чувствительность кристалла к вибрации. Механические виброизоляционные крепления могут использоваться для высокостабильных кристаллов.
Фазовый шум играет существенную роль в системах синтеза частот , использующих умножение частоты; умножение частоты на N увеличивает мощность фазового шума на N 2 . Умножение частоты в 10 раз увеличивает величину фазовой ошибки в 10 раз. Это может быть катастрофическим для систем, использующих технологии PLL или FSK .
Магнитные поля оказывают незначительное влияние на сам кристалл, поскольку кварц является диамагнетиком ; однако в цепях могут возникать вихревые токи или переменное напряжение, а также может оказываться влияние на магнитные части крепления и корпуса.
После включения питания кристаллам требуется от нескольких секунд до минут, чтобы «разогреться» и стабилизировать свою частоту. Термостатированным OCXO обычно требуется 3–10 минут для нагрева до достижения теплового равновесия; генераторы без термостата стабилизируются за несколько секунд, поскольку несколько милливатт, рассеиваемых в кристалле, вызывают небольшой, но заметный уровень внутреннего нагрева. [48]
Кристаллы должны управляться на соответствующем уровне возбуждения. Низкочастотные кристаллы, особенно изгибные моды, могут разрушаться при слишком высоких уровнях возбуждения. Уровень возбуждения определяется как количество мощности, рассеиваемой в кристалле. Соответствующие уровни возбуждения составляют около 5 мкВт для изгибных мод до 100 кГц, 1 мкВт для основных мод на 1–4 МГц, 0,5 мкВт для основных мод 4–20 МГц и 0,5 мкВт для обертоновых мод на 20–200 МГц. [49] Слишком низкий уровень возбуждения может вызвать проблемы с запуском генератора. Низкие уровни возбуждения лучше для более высокой стабильности и более низкого энергопотребления генератора. Более высокие уровни возбуждения, в свою очередь, уменьшают влияние шума за счет увеличения отношения сигнал/шум . [50]
Пластина резонатора может быть вырезана из исходного кристалла многими различными способами. Ориентация среза влияет на характеристики старения кристалла, стабильность частоты, тепловые характеристики и другие параметры. Эти срезы работают на объемной акустической волне (BAW); для более высоких частот используются устройства на поверхностной акустической волне (SAW).
Изображение нескольких срезов кристалла [51]
Буква «Т» в названии разреза обозначает температурно-компенсированный разрез — разрез, ориентированный таким образом, что температурные коэффициенты решетки минимальны; разрезы FC и SC также являются температурно-компенсированными.
Высокочастотные срезы крепятся своими краями, как правило, на пружинах; жесткость пружины должна быть оптимальной, так как если она слишком жесткая, механические удары могут передаваться на кристалл и вызывать его поломку, а слишком малая жесткость может привести к столкновению кристалла с внутренней частью корпуса при воздействии механического удара и поломке. Полосковые резонаторы, обычно AT-срезы, меньше и, следовательно, менее чувствительны к механическим ударам. При той же частоте и обертоне полоска имеет меньшую растягиваемость, более высокое сопротивление и более высокий температурный коэффициент. [69]
Низкочастотные срезы монтируются в узлах, где они практически неподвижны; тонкие провода прикреплены к таким точкам с каждой стороны между кристаллом и выводами. Большая масса кристалла, подвешенного на тонких проводах, делает сборку чувствительной к механическим ударам и вибрациям. [52]
Кристаллы обычно монтируются в герметичных стеклянных или металлических корпусах, заполненных сухой и инертной атмосферой, обычно вакуумом, азотом или гелием. Пластиковые корпуса также могут использоваться, но они не герметичны, и вокруг кристалла необходимо построить еще одну вторичную герметизацию.
Возможны несколько конфигураций резонатора, в дополнение к классическому способу прямого присоединения выводов к кристаллу. Например, резонатор BVA (Boîtier à Vieillissement Amélioré, корпус с улучшенным старением), [70] [ ненадежный источник? ] разработанный в 1976 году; детали, влияющие на вибрации, изготовлены из цельного кристалла (что снижает монтажное напряжение), а электроды нанесены не на сам резонатор, а на внутренние стороны двух конденсаторных дисков, изготовленных из соседних пластин кварца из того же стержня, образуя трехслойный сэндвич без напряжения между электродами и вибрирующим элементом. Зазор между электродами и резонатором действует как два небольших последовательных конденсатора, что делает кристалл менее чувствительным к влиянию схемы. [71] [ ненадежный источник? ] Архитектура устраняет эффекты поверхностных контактов между электродами, ограничения в монтажных соединениях и проблемы, связанные с миграцией ионов из электродов в решетку вибрирующего элемента. [72] Полученная конфигурация прочная, устойчивая к ударам и вибрации, устойчивая к ускорению и ионизирующему излучению, а также имеет улучшенные характеристики старения. Обычно используется разрез AT, хотя существуют также варианты разреза SC. Резонаторы BVA часто используются в космических аппаратах. [73]
В 1930-1950-х годах люди довольно часто регулировали частоту кристаллов путем ручного шлифования. Кристаллы шлифовались с использованием мелкой абразивной суспензии или даже зубной пасты, чтобы увеличить их частоту. Небольшое снижение на 1-2 кГц, когда кристалл был перешлифован, было возможно путем маркировки грани кристалла грифелем карандаша, за счет пониженного Q ;. [74]
Частота кристалла слегка регулируется («подтягивается») путем изменения присоединенных емкостей. Варикап , диод с емкостью, зависящей от приложенного напряжения, часто используется в кварцевых генераторах с управлением напряжением, VCXO. Срезы кристалла обычно AT или редко SC, и работают в основном режиме; величина доступного отклонения частоты обратно пропорциональна квадрату числа обертонов, поэтому третий обертон имеет только одну девятую от подтягиваемости основного режима. Срезы SC, хотя и более стабильны, значительно менее подтягиваемы. [75]
На электрических принципиальных схемах кристаллы обозначаются буквой класса Y (Y1, Y2 и т. д.). Генераторы, будь то кварцевые генераторы или другие, обозначаются буквой класса G (G1, G2 и т. д.). [76] [77] Кристаллы также могут обозначаться на схеме как X или XTAL , или кварцевый генератор как XO .
Типы кварцевых генераторов и их сокращения:
![{\displaystyle {\begin{aligned}Z(s)&={\frac {s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {s} }}^{2}}{\left(s\cdot C_{0}\right)\left[s^{2}+s{\frac {R_{1}}{L_{1}}}+{\omega _{\mathrm {p} }}^{2}\right]}}\\[2pt]\Rightarrow \omega _{\mathrm {s} }&={\frac {1}{\sqrt {L_{1}\cdot C_{1}}}},\quad \omega _{\mathrm {p} }={\sqrt {\frac {C_{1}+C_{0}}{L_{1}\cdot C_{1}\cdot C_{0}}}}=\omega _{\mathrm {s} }{\sqrt {1+{\frac {C_{1}}{C_{0}}}}}\approx \omega _{\mathrm {s} }\left(1+{\frac {C_{1}}{2C_{0}}}\right)\quad \left(C_{0}\gg C_{1}\right)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54771316e952ff812aaee65f49fcadf9a5824b34)
![{\displaystyle f=f_{0}\left[1-0,04~{\text{ppm}}/^{\circ }{\text{C}}^{2}\cdot (T-T_{0})^{2}\right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b78bc386b11338856466204170af80bee159f291)