Kvartsostsillaator

Kvartsostsillaator on vooluahel, mis kasutab kristalli mehaanilist resonantsi, et luua väga täpse sagedusega elektrilist signaali. Enamasti kasutatakse seda sagedust aja arvestamisel ning raadiosaatjates- ja vastuvõtjates sageduse stabiliseerimiseks. Kvartskristall on kõige tavalisem piesoelektriline resonaator, seega ostsillaatorit, mis seda sisaldab, nimetataksegi kristallostillaatoriks ehk kvartsostsillaatoriks. Kvartskristalle toodetakse sagedustel alates mõnedest kümnetest kilohertsidest kuni sadade megahertsideni. Ligikaudu 1MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad. Suurem osa kvartskristalle kasutatakse tarbekaupades nagu kellad, raadiod, arvutid, mobiiltelefonid. Neid võib samuti leida test- ja mõõteseadmetes nagu signaaligeneraator ja ostsilloskoop.

Kvartsresonaator

Ostsillaatori üks tähtsamaid omadusi on tagada stabiilne sagedus, isegi kui sellele antav koormus muutub. Sageduse stabiilsust võib lisaks mõjutada temperatuur ja muutused alalisvoolu toites. Väga kõrge stabiilsuse tagamiseks kasutataksegi kvartskristalli, millel on piesoelektrilised omadused. Kui sellele anda elektrilaeng, toodab see mehaanilist energiat, kui ta oma kuju muudab ning vastupidi, kui seda mehaaniliselt mõjutada, hakkab see tootma elektrilaengut. Kvartskristall, mida ostsillaatoris kasutatakse, on väga väike ja õhuke plaat,mis on kindla nurga all välja lõigatud ning mis kinnitatakse kahe metallplaadi ehk elektroodi vahele. Kristallplaadi mõõtmed ja lõike orientatsioon(mis telje suhtes on lõige tehtud) mõjutavad selle lõplikku sagedust, seega pärast väljalõikamist seda enam muuta ei saa. Samas on see natuke reguleeritav, kui hiljem mõjutada sellega ühendatud kondensaatoreid.

Kristalli resonantssagedus on pöördvõrdeline selle tihedusega kahe metallplaadi vahel. Mehaaniliselt vibreerivat kristalli saab nimetada ka vooluahelaks, millel on madal takistus, suur induktiivsus ja väike mahtuvus. Kvartsi oluliseks eeliseks on samuti resonantsisageduse väike sõltuvus temperatuurist. Aja möödudes kristalli sagedus siiski veidi muutub; seda omadust nimetatakse vananemiseks. Põhjuseks võib olla näiteks see, et elektroodidest difundeeruvad aatomid kristallivõresse, seda moonutades, ka võib elektroodide surve kristallile nõrgeneda.

Fail:1.1.Vooluahel.gif

Kvartsostsillaatori vooluahel

Kvartsresonaatori ajalugu

Jacques ja Pierre Curie avastasid 1880. aastal piesoelektrilise efekti. Üsna varsti pärast seda avastust töötasid nad välja kaks aparaati, millega sai piesoelektrilist efekti ära kasutada. Üks nendest oli piesoelektriline voltmeeter ja teine piesoelektromeeter, millest kujunes hiljem välja peamine instrument, mida Pierre ja Marie Curie oma töös kasutasid ning tänu millele nad avastasid raadiumi. Teise maailmasõja ajal, 1917. aastal kasutas professor Paul Langevin Prantsusmaal kvartsplaate, et tekitada ning avastada helilaineid vees. Tema töö aitas kaasa SONAR-i väljatöötamisele ning ühtlasi ka pani aluse ka ultraheliaparaatide arengule. 1917. aastal ehitas Alexander M.Nicholson esimese kristalli sisaldava ostsillaatori, mis sisaldas Rochelle'i soolakristalli ning 1921. aastal ehitas Walter G. Cady esimese kvartsostsillaatori. 1926 kasutati kvartskristalle juba raadiojaamades ning ka raadioamatööride poolt. 1928. aastal leiutas Warren Marrison, kes töötas Belli Laboratooriumites, esimese kvartskella. Sellest ajast hakati aja arvestamisel toetuma kvartskristalli naturaalsele vibratsioonile, mis parandas täpsust 1 sekundini 30 aasta jooksul (viga 33 millisekundit aastas). Kvartskelladest said maailma kõige täpsemad ajaarvestajad, kuni 1950. aastatel töötati välja aatomkellad. 1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvartskäekella, mis oma kalli hinna tõttu ei osutunud populaarseks.

Kvartsresonaatori väljundsagedus

Kristallostsillaatori väljundsagedus võib olla kas kvartskristalli põhisagedus või siis selle sageduse kordne ehk harmooniline. Ostsillaatorid sagedusega kuni 30 MHz töötavad tavaliselt resonaatori põhisagedusel, sagedusel üle 30 MHz kolmandal, viiendal või seitsmendal harmoonilisel (alati paaritu arv). Harmoonilisi sagedusi kasutatakse sellepärast, et kuna kvartsi võnkesagedus sõltub tema paksusest, muutuksid sagedustel üle 30 MHz kristallid nii õhukeseks, et nende tootmine oleks väga keeruline ja kulukas. Tootjad kalibreerivad ülemtoonis kristallid ülemtooni sagedusel, mitte põhisagedusel. Näiteks, kui on 30 MHz kvarts, mis on kalibreeritud kolmandal ületoonil, siis kui see panna kristalli põhisagedusele mõeldud ostsillaatori vooluringi, võib väljundsageduseks olla hoopis 10 MHz (30/3MHz). Kristallresonaatorite resonantsisagedused pole standardiseeritud, aga on välja kujunenud mõned rohkem kasutatavad sagedused, näiteks 3,579545 MHz, 10 MHz, 14,318 MHz, 20 MHz, 33,33 MHz, ja 40 MHz. Sagedus 3,579545 MHz on saanud populaarseks oma madala hinna tõttu sellest ajast, kui neid hakati kasutama Põhja- ja Kesk-Ameerikas värvitelerites. Sagedusjagurite ja -kordistite abil on võimalik saada algsagedusest muid vajalikke sagedusi.

Kvartsostsillaatorid kellas ja arvutis

Elektronkellades kasutatakse taktgeneraatorina miniatuurset, nn mikrokvartsresonaatorit. Resonaatori omavõnkesagedus võib olla näiteks 65 536 Hz = 216 Hz. Seda sagedust poolitatakse 16 järjestikuse trigeriga sageduseni 1 Hz, mis osutitega kellas käivitab spetsiaalse samm-mootori. Resonaatori võnkesageduse lubatud hälve võib olla näiteks ±20 ppm (miljondikosa) resonantsisagedusest temperatuuril 25 °C ja sageduse muutus esimese aasta jooksul kuni ±5 ppm, edaspidi sagedus stabiliseerub. Arvutites kasutatakse kristallostsilaatoreid taktgeneraatorina eri komponentide töö sünkroonimiseks. Arvuti emaplaadil asetsev taktgeneraator annab taktsagedust kõigile arvuti põhikomponentidele nende töö sünkroonimiseks. Tüüpiliselt genereeritakse eraldi signaalid protsessorile, graafikakaardile, mäludele ja erinevatele siinidele.

Kristalli lõikeviisid

Resonaatori plaati on võimalik välja lõigata mitmel erineval viisil. Lõike tüüp mõjutab kristalli vananemisomadusi, sageduse stabiilsust, soojapidavust ja teisi parameetreid. Kõige tavalisem on AT-tüüpi lõige, tänu oma headele näitajatele – temperatuurikoefitsient ning järjepidevus. Samas on seda tüüpi lõiked mõõdtudelt väikesed ning seega tundlikumad väliste füüsiliste mõjude suhtes. T-täht tähendab, et et lõikamisel on võre temperatuuri koefitsient võimalikult madal. Sama kehtib ka FC ja SC tähistuste korral.

Resonaatori elektriline aseskeem

Kvartsresonaatori elektrilise aseskeem koosneb järgmistest elementidest: • C0 ‒ staatiline mahtuvus metallelektroodide vahel, enamasti mõni pikofarad; • C1 ‒ dünaamiline mahtuvus võnkeringi jadavõnkesagedusel; sõltub kristalli elektroodide suurusest ja mõõdetakse femtofaradites; • L1 ‒ dünaamiline induktiivsus jadavõnkesagedusel; • R1 ‒ takistus jadavõnkesagedusel. Resonaator on samaväärne jadavõnkeringiga C1L1R1, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus C0. Kuna suhe L1/C1 on suur ja kaotakistus R1 väike, on kvartsgeneraatori hüvetegurväga suur, ulatudes sadade tuhandeteni.

Piesokeraamiline resonaator

Piesokeraamiline resonaator valmistatakse piesoelektriliste omadustega keraamilisest materjalist ja kasutatakse nagu kvartsresonaatorit peamiselt kompaktsetes ostsillaatorites. Keraamilised resonaatorid jäävad sageduse täpsuselt ja ka stabiilsuse poolest kvartsresonaatoreist tunduvalt maha, ent on mõõtmeilt väiksemad (SMD-komponendid nt 1,2×3,2 mm), mehaaniliselt tugevamad ja märksa odavamad toota. Resonaatori valmistamisel moodustatakse ka kaks võnkesagedust määravat kondensaatorid, mistõttu lihtsustub ostsillaatori skeem. Keraamilised resonaatorid valmistatakse mitmeastmelise termilise ja mehaanilise töötlemise käigus ferromagnetiliste materjalide graanulite peeneks jahvatatud segust. Peamised lähtematerjalid on plii-tsirkonaat-titanaadid, plii-magneesium-niobaadid ja kaalium-naatrium-niobaadid koos muude metallide lisanditega. Resonantsisageduse tolerants jääb etteantud temperatuurivahemikus piiresse ±(0,1 ‒ 0,5) %; see on keskmiselt 50 korda suurem kui kvartsresonaatoril. Resonantsisagedus ajaliseks muutuseks annavad tootjad ±0,3 % 10 aasta jooksul.