Сигналы точного времени: обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic
Компания Geyer Electronic в течение многих лет является одним из ведущих мировых производителей кварцевых резонаторов. Продукция компании предназначена для различных температурных диапазонов и сортируется по областям применения.
Немецкая компания Geyer Electronic, основанная в 1964 году. Компания производит изделия, предназначенные для аппаратуры связи, мультимедиа, автомобильной электроники, бытовой и промышленной аппаратуры:
- керамические и кварцевые резонаторы;
- кварцевые генераторы с различными диапазонами частот и типами корпусов (в том числе и для поверхностного монтажа);
- фильтры.
Основной офис компании находится в Германии. Производство размещено в Японии, Китае и Корее.
Компания Geyer Electronic придает большое значение тесному сотрудничеству с клиентами в течение всего этапа производства – от разработки изделия до серийного производства. Это гарантирует соответствие готового продукта всем предъявленным требованиям. Кроме этого, глобальная сеть продаж гарантирует доступность продукции и кратчайшие сроки ее доставки. Этим самым компания зарекомендовала себя как надежный и ориентированный на успех партнер.
Для того чтобы сравнить характеристики резонаторов, выявить преимущества/недостатки, необходимо разобраться в их строении и принципах работы, в сути пьезоэлектрического эффекта.
При деформации пьезоэлектрического образца возникает электрическое напряжение между его гранями, а при приложении к его граням электрического напряжения он деформируется. Это явление и называют пьезоэлектрическим эффектом.
Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кварце, титаните бария, турмалине, сегнетовой соли и других веществах. На нем основана работа акустических излучателей, систем сверхточного позиционирования, адаптивной оптики, пьезоэлектрических двигателей, пьезогенераторов электроэнергии, он используется для подачи чернил в струйных принтерах, в пьезотрансформаторах и в кварцевых резонаторах.
Для изготовления кварцевого резонатора используется кристалл пьезоэлектрика, из которого вырезается кольцо, брусок либо пластина. После на вырезанную пластину (кольцо, брусок) наносятся электроды. При подаче напряжения на электроды происходит сжатие, изгибание или сдвиг пластины (в зависимости от способа вырезки кристалла).
Колеблющаяся пластина создает во внешней цепи противо-ЭДС. Это явление эквивалентно работе катушки индуктивности в колебательном контуре (рисунок 1). Если частота подаваемого напряжения близка (в идеале равна) к частоте механических колебаний, затраты энергии оказываются существенно ниже, чем при значительном отличии этих частот.
Рис. 1. Эквивалентная схема кварцевого резонатора
Согласно рисунку 1, параметры эквивалентной схемы следующие:
С0 – межэлектродная емкость, образуемая обкладками и/или кристаллодержателем, емкостью проводящих проводов;
С1, L1 – эквивалентные емкость и индуктивность механической колебательной системы, которые зависят только от механических свойств;
R1 – эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы, характеризующее затухание механических колебаний.
Кварцевые резонаторы выпускаются для различных частот, но наиболее популярным видом являются резонаторы на 32.768 кГц, используемые в часовых схемах. Их резонансная частота, поделенная на пятнадцатиразрядном двоичном счетчике, даст интервал времени в одну секунду. Также резонаторы применяются в генераторах с высокой стабильностью фиксированной частоты (опорные генераторы синтезаторов частот, трансиверных радиостанций и др.), в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приемников.
Качество схем с кварцевыми резонаторами определяют следующими параметрами:
- стабильностью частоты;
- допустимым отклонением частоты;
- нагрузочной емкостью;
- старением.
Обзор кварцевых резонаторов Geyer Electronic
Серии кварцевых резонаторов (Quartz Crystals) Geyer Electronic выпускаются на различные диапазоны температур с учетом приложений, в которых они используются. Определить диапазон температуры можно по последнему символу серии, где символу «Т» соответствует диапазон температуры -40…80°С, «Е» – -40…105°С. Отсутствие символа говорит о том, что рабочая температура резонатора – -20…70°С.
Основные характеристики этих кварцевых резонаторов указаны в таблицах 1, 2. Все рассмотренные резонаторы соответствуют директиве RoHS 2011/65/EU. Под словом «доступно» в таблицах подразумевается возможность спецзаказа резонаторов с данными параметрами.
Таблица 1. Основные характеристики часовых кварцевых резонаторов в частотном диапазоне 32.768 кГц
| Наименование | Рабочая температура (температурный допуск по частоте), °С | Допуск на допустимое отклонение частоты (df/F) при 25°C ±3°C, ppm | Нагрузочная емкость CL, пФ | Старение (df/F) (первый год) при 25°C ±3°C, ppm | Шунтирующая емкость, С0, пФ | Используется для приложений, особенности, сертификация | Тип монтажа | Размеры, Д×Ш×В, мм | |
| -20…70 | -40…85 | ||||||||
| KX-327FT | – | (-0.03 ±0.01 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 7 | Чип-карты, мобильная связь, медицина | SMD | 1.6×1.0×0.5 |
| KX-327RT | – | (-0.03 ±0.01 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 1,3 | Мобильная связь | SMD | 2.0×1.2×0.6 |
| KX-327NHT | – | (-0.035 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 (доступно 7, 9) | ±3 | 1.6 | Миниатюрные коммуника-ционные устройства (Сертификация AEC-Q200) | SMD | 3.2×1.5×0.8 |
| KX-327L | (-0.042 ppm/°C2) | KX- 327LТ (-0.042 ppm/°C2) | ±20 (доступно ± 10) | 12,5 | ±3 | 0.8 | Промышленное применение | SMD | 7×1.5×4 |
| KX-327S | (-0.034 ±0,006 ppm/°C2) | KX-327ST (-0.034 ±0.006 ppm/°C2) | ±20 (доступно ±10) | 12.5 | ±5 | 2 | Часы, микро-компьютеры | SMD | 8.2×3.8×2.5 |
| KX-26 | (-0.042 ppm/°C2) | KX-26T (-0.042 ppm/°C2) | ±30 | 12.5 | ±3 | 1.3 | Часы и микро-компьютеры | ТНТ | 2×6 |
| KX-38 | (-0.042 ppm/°C2) | KX-38T (-0.042 ppm/°C2) | ±20 | 6 или 12.5 | ±3 | 1.3 | Часы и микро-компьютеры | ТНТ | 3×8 |
Таблица 2. Основные характеристики кварцевых резонаторов МГц-диапазона
| Наименование | Частотный диапазон, МГц | Рабочая температура (температурный допуск по частоте), °С | Допуск на допустимое отклонение частоты (df/F) при +25°C ± 3°C, ppm | Нагрузочная емкость CL, пФ | Старение (df/F) (первый год) при 25°C ± 3°C, ppm | Особенности | Размеры, Д×Ш×В, мм | ||
| -20…70 | -40…85 | -40…105 | |||||||
| KX-4* | 2…80 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-4T (±50 ppm; доступно ±50…±100 ppm) | – | ± 30 (доступно ±10…±50) | 8 (доступно 8…16) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 1,6×1,2×0,3 |
| KX-5* | 16…80 | (±50 ppm; доступно ±30…±50 ppm) | KX-5T (±100 ppm доступно ±30…±100 ppm) | KX-5E (±120 ppm; доступно ±50…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 8 (доступно 8…16) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 2,0×1,6×0,45 |
| KX-6* | 12…80 | (±50ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-6T (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | KX-6E (±150 ppm; доступно ±50…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 9 (доступно 8…16) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 2,5×2,0×0,55 |
| KX-7* | 8…60 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-7T ( ±100 ppm; доступно ±20…±100 ppm) | KX-7E (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 30 (доступно ±10…±50) | 12 (доступно 7…20) | ± 2 | Сертиф. AEC-Q200; макс. старение ±2ppm | 3,2×2,5×0,8 |
| KX-9A* | 7,680…300,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±70 ppm) | KX-9AT (±100ppm; доступно ±20…±100 ppm) | KX-9AE (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 30; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 10…20) | ± 2 | Макс.старение ±2ppm | 5×3,2×1 |
| KX-12A* | 8,0…50,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±50 ppm) | KX-12AT (±100 ppm; доступно ±10…±100 ppm) | KX-12AE (±120 ppm; доступно ±30…±120 ppm) | ± 50; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 10…20) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 5×3,2×1 |
| KX-12B* | 8,0…50,0 | (±50 ppm; доступно ±10…±30 ppm) | KX – 12BT (±100 ppm; доступно ±30…±50 ppm) | KX – 12BЕ (±120 ppm; доступно ±50…±80 ppm) | ± 30 | 16 (доступно 12…20) | ± 2 | Макс. старение ±2ppm | 6×3,5×1 |
| KX-K** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX – KT (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 30; (доступно ±10…±50) | 16 (доступно 12…30) | ± 5 | Бюджетность | 10,3×4,2×3,8 |
| KX-KS** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-KST (±100ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 30; (доступно ±10…±50) | ± 5 | Бюджетность; уменьш. профиль | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-KSS** | 3,50…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-KSST (±100ppm; доступно ±25…±100 ppm) | – | ± 50; (доступно ±10…±50) | ± 5 | Бюджетность; уменьш. профиль | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-3H** | 3,20…70,0 | (±50 ppm; доступно ±15…±50 ppm) | KX-3HT (±100 ppm; доступно ±25…±100 ppm) | KX-3HE (±120 ppm; доступно ±35…±120 ppm) | ± 30; (доступно ±10…±30) | ± 5 | Бюджетность | 10,3×4,2×3,8 | |
| KX-49** | 1,84320…200 | (±50 ppm; доступно ±5…±50 ppm) | KX-49T | KX-49E | ± 30; (доступно ±5…±50) | 30 (доступно 10…30) | ± 5 | Для часов ИС | 11,3×13,6×4,9 |
| KX-39*** | 3,579545…40 | (±50 ppm) | KX-39T (±100 ppm) | – | ± 30 | 16 (доступно 12… 20) | ± 3 | Для часов ИС | 3×10 |
| 30…70 | (±100 ppm) | KX-39T (±150 ppm) | – | ± 50 | 16 (доступно 12 … 20) | ± 3 | |||
| 40…100 | (-0,042 ppm/°C2) | KX-39T (-0,042 ppm/°C2) | – | ± 50 | 12 | ± 5 | |||
Держатели кристалла кварца должны быть жестко зафиксированы и не должны менять своего изначального положения с момента производства. В противном случае при сжатии и изгибании кристалла кварца могут возникнуть микротрещины. Чтобы этого не допустить, при монтаже в сквозные отверстия не изгибайте выводы резонатора более чем на 3 мм относительно изначального положения. Также не стоит припаивать корпус для фиксации, чтобы не допустить нагрева кристалла. Для этого необходимо использовать специальные приспособления.
Никаких особых замечаний по самой пайке кварцевого резонатора нет. Полярность любая, заземлять не нужно. Версии резонаторов поверхностного монтажа паяют оплавлением согласно предложенным производителем условиям пайки (рисунок 2).
Рис. 2. Условия пайки оплавлением для SMD-резонаторов
Рис. 3. Установка кварцевого резонатора для микроконтроллера
После пайки частота кварцевого резонатора может измениться на несколько ppm. Частота восстановится после нескольких часов или дней без каких либо последствий для кристалла кварца. Очистка проводится стандартными методами. При размещении кварцевого резонатора на плате также желательно придерживаться следующих условий:
- чем ближе к генератору – тем лучше;
- рядом должны отсутствовать дорожки, по которым передаются другие сигналы, способные внести помехи;
- при хранении нужно соблюдать необходимые условия:
- температура хранения: 25 ±5°C;
- влажность: 60 ±15% RH.
Общий диапазон температуры хранения обозначен для каждой серии при заказе.
Все вопросы касательно резонаторов, их выбора и установки можно задавать как производителю, так и дистрибьютору. Общие же принципы выбора нагрузочных емкостей и внешнего резистора рассмотрим на примере кварцевого резонатора KX-K для микроконтроллера с необходимой частотой 24…25 МГц (рисунок 3).
Общие данные резонатора KX-K, согласно таблице 1:
- нагрузочная емкость CL равна 16 пФ;
- температурный допуск на допустимое отклонение частоты: ±30 ppm (20°C)/±50 ppm (-20…70°C);
- внутреннее резонансное сопротивление: R1 = 40 Oм.
Если нагрузочная емкость не будет согласована с нагрузочной емкостью кварцевого резонатора, то будет иметь место сдвиг резонансной частоты. Начальные значения емкости конденсаторов C1 и C2 для оптимизации должны быть 22 пФ и 27 пФ, соответственно, т.к. кристаллу необходима нагрузочная емкость 16 пФ. Предполагается, что у микроконтроллера есть внутренние емкости 2 пФ в OSC1 и OSC2. Паразитная емкость электрической схемы составляет 3 пФ. Таким образом, заключительная нагрузочная емкость равна (все значения емкостей в приведенной ниже формуле приведены в пФ):
Для простого запуска колебаний кварцевого резонатора емкость на входном OSC1 микроконтроллера взята меньше, чем на его выводе OSC2.
Чтобы проверить безопасность условий запуска, необходимо протестировать схему. Для тестирования необходимо вручную спаять резисторы последовательно с кварцевым резонатором. Колебания, даже несмотря на сопротивление в пределах, должны быть:
- для стандартных приложений – в 3…5 раз больше указанного резонансного сопротивления R1 (если R1 = 40 Oм, то диапазон равен 150…250 Ом);
- для автомобильных приложений – в 5…10 раз больше указанного резонансного сопротивления R1 (если R1 = 40 Ом, то диапазон равен 250…500 Ом)
Рис. 4. Установка внешнего резистора
Внешний резистор рекомендуется использовать при рабочих частотах ниже 4 МГц. При более высоких частотах внутреннего сопротивления микроконтроллера обычно достаточно. Конденсатор C2 с внешним резистором RV (рисунок 4), образуют RC-цепочку, т.е. фильтр низких частот. Исходя из этого, Rv выбирается таким образом, чтобы критическая частота f была вдвое больше номинальной частоты резонатора.
Пример для C2 = 22 пФ:
- для кварцевого резонатора на 2 МГц желаемая критическая частота составляет 4 МГц, следовательно, выбирается RV = 1.8 кОм;
- для кварцевого резонатора на 6 МГц – составляет 12 МГц, значит выбирается Rv = 600 Ом.
Компания Geyer Electronic выпускает качественные кварцевые резонаторы различных размеров SMD- и THT-монтажа популярных частотных диапазонов для новых приложений. Хорошо налаженная обратная связь между сотрудниками компании и клиентами позволит подобрать подходящий кварцевый резонатор для любой задачи в зависимости от условий эксплуатации, необходимых характеристик, цены и использования его в конкретном приложении.
Источник
