7.1 (III) Генераторы

==443

7.1.6 Кварцевые генераторы

Релаксационные генераторы на RC цепях ( или на связке конденсатор + источник тока ) имеют стабильность до 0.1% и предсказуемость 5...10% . Для многих задач этого вполне достаточно. Например, многоразрядные индикаторы чаще всего делают мультиплексированными ( §10.6.2 ), т.е. зажигают каждый разряд по очереди, пробегая через весь индикатор с частотой 100 Hz . Из-за того, что дисплей «регенерируется» быстро, глаз не замечает мигания и видит все разряды одновременно. В такой схеме точно выдерживать временнЫе интервалы не требуется. Достаточно попасть в нужный порядок цифр. В качестве источника стабильной частоты LC генераторы смотрятся чуть лучше: 0.01% в разумном промежутке времени. [* Интересно, в достаточно большом или, наоборот, в достаточно малом? Ставлю на малый] . Такой источник хорошо подходит для неответственных применений типа дешёвого радиоприёмника. Оба вида генераторов легко настраивать. Для RC это изменение сопротивления или величины зарядного тока, а для LC - механический или электрический конденсатор переменной ёмкости либо катушка индуктивности с подвижным сердечником .

Но если нужен и в самом деле стабильный источник частоты, то замены для кварцевых генераторов нет [* сейчас появились сравнимые по параметрам микромашинные системы - MEMS генераторы] . Такие генераторы используют кусочек кварца ( двуокись кремния - основной компонент стекла ), который разрезан и отшлифован определённым образом, чтобы получить заданную частоту механических колебаний. Кварц - пьезоэлектрик . Механическое напряжение в нём порождает разность потенциалов и обратно. Таким образом, прикладывая электрическое поле, можно создать механические волны на поверхности, а волны на поверхности вызывают появление электрического поля. Если напылить на поверхности контакты, можно получить очень удобный компонент, который моделируется точно настроенной на некоторую частоту RLC цепью с узким резонансом ( он соответствует механическому резонансу небольшой пластинки монокристалла кварца ). Кварцевые кристаллы поставляются как в виде отдельных элементов, так и в составе законченных модулей генераторов. Некоторые примеры показаны на рис. 7.32 .

Рис.7.32 Корпуса кварцевых резонаторов. В верхнем ряду - законченные генераторы в корпусах DIP-8 , DIP-14 и совместимые с ними по посадочному месту [*] . Такой же генератор в корпусе 5×7 mm для поверхностного монтажа располагается в центре нижнего ряда. В самом центре - голый кристалл с двумя контактными электродами [**] , которые уже нельзя найти в оборудовании. Современные кристаллы поставляются в герметизированных корпусах. Нижний ряд слева направо: HC49/U , HC49/US и цилиндрический диаметром 3 mm . Самый необычный - стеклянный корпус справа, через который виден изящный кварцевый диск и напылённые на него электроды [***]

[* Полностью вышли из употребления вместе с прочими элементами в DIP корпусах ].
[** Похоже, именно такой кристалл обнаружил старший лейтенант Таманцев «в августе 44» у вражьего радиста ].
[*** Такие кварцы ещё можно купить, но они тоже стремительно устаревают. Мир плотно сидит на SMD технологии. Выводные компоненты - вымирающий вид ].

Высокая добротность Q кварцевых кристаллов ( типичные цифры $10\space^4...10\space^5$ ) и их хорошая стабильность делают их естественным элементом генераторов и фильтров. Как и LC цепи, эквивалентная схема кристалла обеспечивает положительную связь и усиление на частоте резонанса, что позволяет получить самоподдерживающиеся колебания.

==444

7.1.6.A Последовательный и параллельный режим

Рис.7.33 Эквивалентная схема кварцевого кристалла. $ C_0$ - реальная ёмкость электродов и выводов, а RLC модель соответствует электрическому эквиваленту механического резонанса. Типичные значения для кристалла на 1 MHz равны: $ C_0$≈4 pF , а для RLC модели 75 Ω, 1H и 0.02 pF ( Q≈$10\space^5$ )

Характер резонанса кристалла требует некоторых пояснений. В модели присутствуют два конденсатора ( рис. 7.33 ), которые создают предпосылки для появления двух близко расположенных ( в пределах 0.1% ) резонансов - последовательного и параллельного. Проявляется это в резком изменении реактивного сопротивления с частотой ( рис. 7.34 ).

Рис.7.34 Реактивное и полное сопротивление кварцевых кристаллов в непосредственной близости от частот резонансов (шкала частоты сильно растянута ). $ f_S$ и $ f_a$ - частоты последовательного и параллельного резонанса ( вернее, частота резонанса $ f_R$ и частота антирезонанса $ f_a$ ) . Внешняя ёмкость $ C_L$ понижает реальную рабочую частоту параллельного резонанса до $ f_p$

Под термином «частота резонанса» $ f_R$ ( её ещё называют $ f_S$ ) понимается частота последовательного резонанса пары $L_1$ и $ C_1 $ . В этой точке реактивная часть импеданса с емкостной ( ниже $ f_R$ ) меняется на индуктивную ( выше $ f_R$ ) . В точке $ f_R$ общая реактивная составляющая последовательной пары $L_1C_1$ обнуляется, а общий импеданс RLC цепи, соответственно, равен $R_1$ ³⁸. Чуть выше ( обычно порядка 0.1% ) лежит «частота антирезонанса» $ f_a$ , где последовательное соединение $ C_0$ и $ C_1 $ ( это чуть меньше по величине, чем просто $ C_1 $ ) резонирует с $L_1$ . ( Ситуацию можно рассматривать как параллельный резонанс $ C_0$ с общим реактивным импедансом $L_1$ и $ C_1 $ , который становится индуктивным выше $ f_R$ ) . Эта точка называется также частотой параллельного резонанса $ f_p$ . Правильнее было бы использовать этот термин для схемы, в которой внешняя нагрузочная ёмкость $ C_L$ специально подключается параллельно кристаллу ( подробнее об этом чуть ниже ). На указанных частотах $ f_a$ и $ f_p$ реактивная часть полного сопротивления RLC цепи проходит через ноль, но на этот раз с максимальным значением импеданса. Когда кристалл находится в режиме параллельного резонанса, дополнительная параллельная ёмкость внешней цепи складывается с ёмкостью кристалла $ C_0$ и слегка уменьшает итоговую частоту. Для кристаллов, специально предназначенных для работы в режиме параллельного резонанса, указывается величина внешней шунтирующей ёмкости ( типовой диапазон 10...35 pF ), при которой частота генерации соответствует маркировке резонатора.

Разница между последовательным и параллельным резонансом очень существенна, и для любого устройства, использующего кварц, указывается, в каком конкретно режиме этот кварц включается, и сообщаются рекомендованные параметры кристалла ( максимально допустимое $R_S$ и значение параллельной ёмкости ). Более того, обычно даётся список рекомендованных производителей, и даже конкретные модели резонаторов, проверенные на корректную работу.

7.1.6.B Исследование кварцевых кристаллов

Можно найти массу графиков, подобных рис. 7.34 , но отражают ли они реальное положение вещей?

Авторы решили проверить данное соответствие, для чего взяли кристалл MP100 фирмы CTS ( 10.0 MHz ±45 ppm в режиме последовательного резонанса ) и измерили его импеданс с помощью HP4192A. Прибор позволяет измерять импедансы от 0.01 Ω до 200 kΩ на частотах до 13 MHz с разрешением 1 Hz . Проверенный образец имел частоту последовательного резонанса $ f_S$=10.000086 MHz ( ошибка по частоте +8.6 ppm ), резистивное сопротивление на частоте резонанса $R_1$=4.736 Ω и параллельную ёмкость $ C_0$=5.5 pF . Из частоты резонанса можно вывести произведение $L_1C_1$ , но не величины сомножителей ³⁹. Зато их можно получить косвенными методами, измеряя неуказанную частоту параллельного ( анти )резонанса и её изменение под воздействием внешней ёмкости $ C_L$ . Были получены следующие цифры: $ f_a$=10.02245 MHz ( без $ C_L$ - только $ C_0$ ) и $ f_p$=10.00355 MHz ( с внешней параллельной ёмкостью $ C_L$=30 pF ).

==445

По этим данным можно восстановить величины $L_1$ и $ C_1 $ . Они составляют 10.3324 mH и 0.024515 pF ⁴⁰. А уже по этим величинам можно хоть обмоделироваться в SPICE, наблюдая зависимость импеданса, сдвига фазы и величину добротности от частоты ( см. рис. 7.35 , рис. 7.36 и рис. 7.37 ).

Рис.7.35 График зависимости импеданса от частоты для SPICE модели выбранного кристалла с последовательным резонансом, построенной по данным измерений для RLC эквивалента. Показаны кривые для четырёх значений внешней нагрузочной ёмкости

По графикам видно, что ожидаемый минимум импеданса располагается на частоте резонанса $ f_R$ ( $|Z|$=4.7 Ω ), и его величина практически не зависит от внешней ёмкости. Изменения не заметны, даже если сильно увеличить график 7.36 , т.е. при изменении $ C_L$ от 0 pF до 30 pF частота меняется менее чем на 1 ppm . А для параллельного резонанса частота ( максимум импеданса ) зависит строго от внешней ёмкости и уменьшается на ∼2000 ppm при подключении внешних 30 pF .

Рис.7.36 Импеданс и фаза в окрестностях точки последовательного резонанса для кристалла с рис. 7.35 . Хорошо видно, что импеданс и фаза практически не зависят от внешней ёмкости. Выбранный в качестве примера кристалл имеет величину $R_1$=4.7 Ω и высокую добротность, которая существенно ухудшается при максимально допустимом значении $R_1$=50 Ω

Тот факт, что параллельный резонанс выше, чем маркировка «10 MHz» на корпусе не говорит, что кристалл не в порядке. Просто она сообщает величину последовательного резонанса. В противном случае цифры указывали бы «10.00355 MHz» и оговаривали бы «$ C_L$=30 pF» ⁴¹. На самом деле, вы бы просто купили кварц на стандартную частоту 10.0 MHz в режиме параллельного резонанса. В данном примере это была бы модель MP101 того же производителя.

Рис.7.37 Импеданс и фаза в окрестностях параллельного резонанса для 10.0 MHz кристалла с рис. 7.35 . Показан график только для нагрузочной ёмкости $ C_L$=30 pF, потому что прочие номиналы при таком увеличении лежат далеко за границами изображения. И вновь, добротность кристалла Q серьёзно ухудшается с увеличением сопротивления $R_1$ до верхней границы 50 Ω

Хорошо заметный сдвиг частоты от изменения параллельной нагрузочной ёмкости в режиме параллельного резонанса требует аккуратности при подборе конденсатора и учёта паразитных емкостей выводов и монтажа. С одной стороны, это даёт больше возможностей по подстройке рабочей частоты внешними элементами, например, варактором. С другой, даже небольшое изменение ёмкости вызовет сдвиг частоты. Скажем, для достижения стабильности частоты в пределах 0.1 ppm ( предполагается, что кристалл стабилен по температуре и времени ) внешняя ёмкость не должна меняться более чем на 0.002 pF . Это очень жёсткое ограничение для усилителя обратной связи.

==446

Выбранный в качестве образца кристалл имеет замечательно низкое последовательное сопротивление $R_1$=4.7 Ω , но спецификация допускает цифры до 50 Ω . Чтобы показать, как это влияет на общую картину, были построены графики последовательного и параллельного резонанса для наихудшего значения ( рис. 7.36 и рис. 7.37 ). Для последовательного резонанса минимум импеданса более пологий и сдвиг фазы от частоты более плавный. Плавность изменения фазы ( 1.3°/ppm против 13°/ppm ) означает, что для сохранения той же стабильности усилитель обратной связи должен поддерживать на порядок меньшее её изменение ( 0.13° против 1.3° для стабильности на уровне 0.1 ppm ). Генератор с таким кристаллом будет сильнее реагировать на изменение входного импеданса, усиление и т.п. параметры схемы вплоть до полного прекращения работы. Даже хуже, генератор может запуститься на какой-то посторонней частоте, с чем авторы уже неоднократно сталкивались.

Такая же картина наблюдается и для режима параллельного резонанса ( представлен график только для $ C_L$=30 pF , т.к. другие номиналы при таком масштабе выходят за границы изображения ). Добротность снижается с увеличением $R_1$ . Интересно отметить, что резкость изменения фазы ( и ширина максимума пика импеданса ) повторяет аналогичные параметры для последовательного резонанса. Это противоречит распространённому взгляду на данный вопрос.

Чтобы построить законченный генератор, кристалл требуется охватить положительной обратной связью. Некоторые распространённые схемы представлены в §7.1.6.D . На них можно увидеть внешние нагрузочные ёмкости, параллельный высокоомный резистор, замыкающий путь тока и иногда небольшое последовательное сопротивление. Схему можно полностью промоделировать с использованием указанных выше данных кристалла ⁴². Авторы проделали это и намерены разъяснить имеющиеся ограничения и природу этих плохо понимаемых вопросов резонанса кристалла, рассмотрев некоторые примеры.

7.1.6.C Стандартные частоты кристаллов

Кварцевые кристаллы доступны для частот от 10 kHz до 30 MHz , а варианты, резонирующие на гармониках, доходят до 250 MHz . Их можно заказывать под конкретную частоту, но наиболее употребительные номиналы доступны прямо со склада. Всегда есть 100 kHz, 1.0 MHz, 2.0 MHz, 4.0 MHz, 5.0 MHz и 10.0 MHz . Частота 3.579545 MHz используется в аналоговых телеприёмниках. Цифровые часы работают с 32768 Hz ( при делении на 2¹⁵ получается 1 Hz ). Доступны и другие частоты из двоичного степенного ряда. Кварцевые генераторы можно слегка подстраивать, меняя номинал последовательного или параллельного конденсатора. Например, одного из двух номиналом 27 и 32 pF на рис. 7.38D и рис. 7.38E . С учётом низкой цены кристаллов ( существенно меньше доллара ) стоит рассматривать их в качестве основы генераторов в любой задаче, где RC цепь не вытягивает по параметрам ⁴³.

Кварцевые генераторы нельзя перестраивать подобно LC контурам, но величину внешней нагрузочной ёмкости можно менять с помощью варактора, «сдвигая» естественную частоту в режиме параллельного резонанса. Схемы, допускающие подобную регулировку, называются «кварцевый генератор, управляемый напряжением» ( VCXO ) и вдобавок к отменной стабильности обладают возможностью небольшой подстройки частоты. Самым лучшим решением, как обычно, будет не разработка чего-то своего, а покупка коммерческой модели VCXO. Типичный диапазон их перестройки лежит в пределах от ±10 ppm до ±100 ppm вокруг центральной частоты, но выпускаются и экземпляры с более широкими границами ( до ±1000 ppm ).

В качестве популярной альтернативы можно синтезировать нужную частоту с помощью фазовой автоподстройки ( PLL ) ( §13.13 ) или прямого синтеза ( DDS ) ( §7.1.8 ), используя в качестве источника «пилотного сигнала» кристалл стандартной частоты. К таким методам синтеза легко добавить цифровое управление, а стабильность получаемого сигнала будет эквивалентна стабильности задающего кристалла. Подводя черту, большая часть современного телекоммуникационного оборудования ( радиостанции, телеприёмники, сотовые телефоны и т.п. ) используют для создания нужных частот именно PLL и DDS.

==447

7.1.6.D Схемы кварцевых генераторов

Ниже приводятся схемы нескольких кварцевых генераторов. Вариант 7.38A - классическая схема Пирса на полевом транзисторе общего применения ( см. Часть _3 ). На схеме 7.38B показан генератор Колпитца с кристаллом вместо LC контура. Вариант 7.38C использует кварц в качестве элемента обратной связи для npn транзистора. Оставшиеся схемы ( с 7.38D по 7.38G ) создают сигналы с логическими уровнями, используя элементы цифровой логики. Рис. 7.38D - небуферированный КМОП инвертор ( т.е. просто одиночная пара КМОП транзисторов, как на рис. 3.90 ) работает в качестве генератора. Высокоомный резистор переводит логический элемент в линейный режим работы, а кварц в режиме параллельного резонанса обеспечивает положительную обратную связь. Элемент LVC1404 разработан специально для этой задачи и состоит из пары таких инверторов и дополнительного триггера Шмитта с инверсией ( для получения резких фронтов выходного сигнала ). На низких напряжениях ( вплоть до 0.8 V ) хорошо работает AUP1G04 ⁴⁴. В этой и следующей схеме ( рис. 7.38E ) последовательный резистор $R_2$ подбирается под реактивное сопротивление $ C_2$ на частоте резонанса ⁴⁵.

Рис.7.38 A-D Схемы кварцевых генераторов. Вариант D использует логический элемент - инвертор

Отвлечёмся ненадолго, чтобы разобраться, как работает схема на инверторе. Известно, что на частоте резонанса и в последовательном ( рис. 7.36 ), и в параллельном ( рис. 7.37 ) режиме кристалл имеет сдвиг фазы 0° . Нагрузочная ёмкость $ C_L$ представлена в схеме в виде двух последовательно включённых конденсаторов ( $ C_1 $ и $ C_2$ ) , средняя точка которых заземлена. Поэтому, когда напряжение генерации прикладывается к кристаллу, два его конца качаются в противофазе, подобно обмотке трансформатора со средней точкой. Инвертирующий усилитель доворачивает фазу до 360° , обеспечивая самоподдерживающиеся колебания.

Возвратимся к рис. 7.38 . В современных сложных цифровых ИМС ( микропроцессорах, синтезаторах и т.п. ) часто можно увидеть пару выводов «XTAL». Пользователю предлагается использовать встроенный в чип генератор, который обычно является простым небуферированным инвертором. На рис. 7.38E-G показаны именно такие примеры. Это 14-разрядный двоичный делитель частоты, микроконтроллер и синтезатор частоты в диапазоне 1...200 MHz с помощью встроенной PLL.

Рис.7.38 E-G Схемы кварцевых генераторов. Варианты E,F,G используют логические элементы: 14-разрядный двоичный счётчик, микроконтроллер и синтезатор частоты соответственно

==448

На рис. 7.39 показан симпатичный способ использования кварцевых кристаллов - кварцевые часы. Им нужны высокие параметры, потому что в сутках 86400 секунд и стабильность 1 часть на $10\space^4$ вызовет уход времени на 1 минуту в неделю. Кроме того, задача требует по-настоящему низкого потребления. Такие массовые недорогие схемы расходуют на генератор, делитель и маленький шаговый двигатель менее микроватта.

Рис.7.39 Наручные часы с логотипом «Art of Electronics» ходят на батарее 1.5 V@28 mAh 3 года, расходуя всего 1 микроампер

Схема микропотребляющего генератора

Заинтересовавшись удивительно скромным потреблением кварцевых наручных часов, авторы решили выяснить, что в этом плане можно выжать из стандартных компонентов. Было выбрано низковольтовое логическое семейство 74AUP, специфицируемое при 0.8—3.3 V , и протестирована типовая схема Пирса ( режим параллельного резонанса ) на одном небуферированном инверторе и триггере Шмитта на выходе ( рис. 7.40A ).

Рис.7.40 Микропотребляющий кварцевый генератор. (A) Генератор на инверторе с выходным каскадом на триггере Шмитта. (B) Схема снижения общего «сквозного» тока потребления. (C) Схема подключения к каскаду с полным питанием

Общий ток потребления в зависимости от уровня питающего напряжения приведён на рис. 7.41 . Измерения проводились для частот 32768 Hz ( часовой ) и 2.5 MHz . Графики ( маркированный «$R_3=R_4=0$» ) показывают быстрый рост тока вместе с ростом напряжения, за который ответственен инвертор в генераторе, работающий в режиме «класс-A» ( режим перекрытия проводящих состояний транзисторов верхнего и нижнего плеча на фронтах сигнала, см. рис. 10.101 ).

Рис.7.41 Данные измерения тока потребления генераторов с рис. 7.40 . Каждая пара графиков содержит данные потребления первого каскада ( нижний ) и двухкаскадной схемы ( верхний )

Интересный приём, сильно снижающий данный эффект заключается в добавлении двух резисторов в оба вывода питания ( рис. 7.40B ). Данный режим отмечен на рис. 7.41 маркером «$R_3=R_4=10k$». Хорошо видно 20...50 кратное снижение тока для частоты 32768 Hz . Таким способом можно получить часовую частоту, расходуя менее 1 μA , но только для выходных напряжений не более вольта, которые ниже логических уровней всех интересных для использования цифровых семейств. Но в запасе есть ещё один трюк, позволяющий запустить от такого сигнала каскад с нормальным уровнем питания ( рис. 7.40C ). В схеме используется разделяющий конденсатор и высоковольтный резистор обратной связи, переводящий выходной каскад в линейный режим. Генератор и выходной каскад, запитанные от 1.0 V по схеме 7.40B , успешно раскачивали третий каскад, запитанный от 1.8 V . Общий ток при таком включении составил 2.4 μA , а простая двухкаскадная схема 7.40B , запитанная от 1.8 V , потребляла 12.8 μA . Получили пятикратный выигрыш ⁴⁶.

==449

Все эти эксперименты подводят к довольно очевидному вопросу, как же изготовители часов достигают своих результатов? Если поискать материалы по теме, то можно обнаружить несколько весьма интересных документов. В частности компания «EM Microelectronic» предлагает небольшую микросхему EM7604, названную «маломощный кварцевый генератор на 32768 Hz». Под термином маломощный подразумевается схема, работающая при напряжении от 1.2 до 5.5 V с рабочим током 300 nA в диапазоне от 3 до 5V . Круг потребителей легко оценить по отметке «Электронные системы группы Swatch».

7.1.6.E Предупреждения

Правильная конструкция кварцевого генератора совсем не тривиальная задача. Совершенно необходимо, чтобы величина произведения усиления схемы A на потери в кристалле B , т.е. усиление с замкнутой обратной связью AB было больше единицы, а общий сдвиг фазы в петле обратной связи был кратен 360° на требуемой рабочей частоте ⁴⁷. Потери в кристалле, вызванные сопротивлением $R_S$ на эквивалентной схеме, могут мешать правильной генерации, а параллельная ёмкость $ C_p$ способствует возникновению колебаний на частоте, не соответствующей маркировке на самом кристалле. Следует проявлять аккуратность, выбирая кварц, рассчитанный на работу в последовательном или параллельном режиме, который задаётся схемой включения ⁴⁸. ИМС, использующие внешний кристалл для тактирования ( например, микроконтроллеры, см. рис. 15.4 ), чётко оговаривают такие особенности в справочных данных. Вот что говорится в паспорте на синтезатор MPC9230:

«..Генератор очень чувствителен к нагрузке на входах, и пользователь должен располагать кристалл как можно ближе к микросхеме, чтобы уменьшить паразитную нагрузку со стороны печатной платы… Так как емкостная нагрузка на выводах XTAL влияет на работу в режиме последовательного резонанса, собственная ёмкость выводов кристалла сторонних производителей может создавать проблемы. Для кристаллов с высокой шунтирующей ёмкостью для подавления возбуждения на третьей гармонике может потребоваться резистор параллельно кристаллу... Генератор работает в режиме последовательного резонанса и для обеспечения заявленных параметров требуется кристалл, рассчитанный на работу в таком включении. К сожалению, большинство кристаллов нормируется в режиме параллельного резонанса».

А вот пример из 174-страничного (!) описания на PIC16E7x. Кристалл подключается к двум выводам микроконтроллера, после чего на каждый вывод вешается по конденсатору на землю.

«Конструкция PIC16E7x требует использования кристалла, рассчитанного на работу в режиме параллельного резонанса <..>

Выбор конденсаторов для кварцевого генератора ( только общие рекомендации ).

Перечисленные ниже конденсаторы испытывались на пригодность к автозапуску генератора и его стабильной работе. Значения не оптимизировались. Для уверенной работы генератора могут потребоваться иные номиналы. Разработчик должен проверять работоспособность генератора по своему ожидаемому диапазону питания и температур. Дополнительную информацию можно найти в примечаниях под таблицей. <Далее следует список производителей кварцевых кристаллов и примечания к нему>».

Это не дежурное предупреждение ( хотя его эмоциональность может быть вызвана активностью юридического отдела ). Авторы обнаружили, что в разных ситуациях кристаллы с одинаковыми параметрами, но разных производителей, ведут себя по-разному. Вероятнее всего, происходит это из-за плохо документированных характеристик вроде последовательного сопротивления и паразитной ёмкости корпуса. Опыт авторов по проектированию генераторов на дискретных компонентах, скажем так, неоднозначный.

7.1.6.F Модули кварцевых генераторов

==450

По изложенным выше причинам, если нужна повышенная надёжность, предпочтительно использование законченных модулей генераторов. Цена их выше, чем у отдельных кристаллов ⁴⁹, но зато есть гарантированно работающая схемная обвязка и прямоугольный сигнал с логическими уровнями на выходе. Такие компоненты можно использовать с любыми ИМС, требующими кварцевого кристалла, потому что им в равной степени подходит прямоугольный сигнал.

Кварцевые генераторы упаковываются в стандартные 4-выводные корпуса, совместимые по посадочному месту с выводными микросхемами ( DIP ), или в корпуса для поверхностного монтажа. Стандартная номенклатура включает множество номиналов от 1 до 100 MHz [* в связи с победным шествием по планете синтезаторов частоты число доступных номиналов неуклонно сокращается ] , а также некоторые специфические варианты ( например, 14.31818 MHz используется в видеоадаптерах, а 11.059 MHz и кратные ей - в последовательных портах ). Такие модули кварцевых генераторов имеют умеренные точностные параметры по температуре, напряжению питания и времени ( типичные цифры - 0.01% , т.е. 100 ppm ), но дёшевы, надёжны и просты в применении.

Если требуются нестандартные частоты, можно посмотреть в сторону «программируемых кварцевых генераторов». Они могут выдавать частоты в диапазоне от 1 до 125 MHz и более, стОят примерно в два раза дороже обычных генераторов ( около $5 в небольших партиях ) и программируются ( однократно ) на заводе при крупном заказе или в специальном программаторе ( около $500 ). Они используют технику PLL и синтезируют заданную частоту из кварцевого кристалла стандартного номинала ( см. §13.13 ) ⁵⁰.

Вот имена некоторых производителей кварцевых и керамических модулей генераторов: Cardinal Components, Citizen, Connor Winfield, Crystek, CTS, Ecliptek, ECS, Epson, Fox, Seiko, Vishay.

7.1.6.G Керамические резонаторы

Прежде чем переходить к генераторам более высокой стабильности ( §7.1.7 ), следует рассмотреть керамические резонаторы . Подобно кварцевым кристаллам это механические резонаторы из пьезоэлектрической керамики, очень похожие на кварцы по электрическим параметрам. Частоты лежат в диапазоне от 200 kHz до 50 MHz . Стандартных номиналов меньше, чем у кварцев. Керамические резонаторы имеют меньшую точность, нежели кварцы ( типичный допуск ±0.3% ), и заметно худшую стабильность ( 0.2—1% по температуре и времени ). Зато керамические резонаторы компактны, дёшевы ( $0.15-0.25 в единичных количествах ), часто имеют в корпусе встроенные конденсаторы ( цена чуть выше - $0.25-0.5 ). Они легко заменяют кварцевые кристаллы в любой схеме включения и допускают «настройку» по частоте в пределах нескольких частей на тысячу ( в низкой добротности тоже есть положительная сторона ). Керамические резонаторы занимают нишу между LC контурами и кварцевыми кристаллами. Выпускаются компаниями Abracon, AVX, ECS, Murata, Panasonic, TDK.

7.1.6.H SAW генераторы

Если нужен источник стабильной частоты за пределами рабочих диапазонов керамических и кварцевых резонаторов, к вашим услугам технология поверхностных акустических волн - ПАВ ( SAW ). Её используют и в фильтрах, и в генераторах. Рабочие частоты лежат в диапазоне 100 MHz...1 GHz . ПАВ генераторы похожи на кварцевые габаритами и стабильностью ( 50 ppm по всему температурному диапазону ). Недостатки: скудный набор частот и высокая цена ( до $50 в единичных количествах ).

С другой стороны, если взять голый ПАВ резонатор на популярную частоту 433 MHz ( $1 ), добавить копеечный биполярный транзистор и несколько пассивных компонентов, можно собрать генератор самостоятельно. А дополнительный кусок провода превратит генератор в передатчик.

==450

³⁸ Здесь надо вспомнить, что импеданс идеальной параллельной пары LC становится бесконечным на частоте резонанса, а для последовательного включения LC он равен нулю ( §1.7.14 ). <-

³⁹ Не следует забывать, что реальных ёмкостей и индуктивностей здесь нет. Речь идёт исключительно об электрическом эквиваленте механического резонанса кварцевой пластинки, проявляющего себя через пьезоэлектрическое воздействие на электроды. Эти псевдоэлементы иногда называют «динамическими» индуктивностями и ёмкостями. <-

⁴⁰ Формулы для ценителей: $ C_1 = 2(1 - f_B/f_A )/(1/C_A -1/C_B) $ , тогда ## $L_1 = 1/[C_L( 2πf_S )^2]$ . <-

⁴¹ Ещё формулы: параллельная емкостная нагрузка определяет частоту параллельного резонанса $ f_p=f_S[1+C_1/( 2C_0+2C_L )]$ . Если параметры кристалла известны, то для заданной частоты параллельного резонанса $ f_p$ нужна нагрузочная ёмкость $ C_L=[f_SC_1/( 2f_p-2f_S )]-C_0$ . <-

⁴² Читатель, не знакомый со SPICE, может заглянуть в Приложение _J . <-

⁴³ Последний писк моды - генераторы на дешёвых микроэлектромеханических устройствах ( MEMS ), в которых резонатор выполнен из кремния. Такие устройства имеют меньшую стабильность, чем кварц, но могут быть очень небольшого размера ( SiTime использует корпуса 2.5×2×0.8 mm ), иметь цепи температурной коррекции и схемы синтеза частот, выполненные на том же кристалле. <-

⁴⁴ Авторы практикуют исключение префиксов ( заменяя их апострофами ), не влияющих на восприятие, при указании логических элементов стандартных логических семейств. Объяснения см. в Части 10 [* §10.2.1 ] . <-

⁴⁵ Например ∼330 kΩ для частоты на 32 kHz и ∼1 kΩ для 1 MHz . <-

⁴⁶ Аналогичные графики для выходного каскада на 2.5 V показывают 13.8 μA . Но так всё равно лучше, чем двухкаскадное включение, хотя уже только в 2.4 раза. <-

⁴⁷ Эти условия называются также «критерием генерации Баркхаузена». <-

⁴⁸ См., например, техническую заметку фирмы RCA ICAN-6539. <-

⁴⁹ Обычно $1.50 против $0.30 в партиях по 100 шт. Для единичных количеств цена удваивается. <-

⁵⁰ Иногда встречаются микросхемы позволяющие выбрать частоту внешними выводами. Пример ECS-300C фирмы ECS. 8-ногий корпус, 3 вывода установки двоичного делителя ( от 1/2 до 1/256 ) базовой частоты. <-