U krystalů kmitajících na frekvenci MHz se používá tzv. základní kmitání (fundamentální kmitání ) nebo harmonická (obvykle třetí nebo pátá harmonická ). Rozhodující je zde mechanický způsob kmitání křemenného krystalu, který je založen na piezoelektrickém efektu křemene. V rozsahu MHz se vtloušťkově střižném režimu obvykle používá základní režim (k dispozici u společnosti PETERMANN-TECHNIK GmbH až do 285 MHz).
Režim oscilace v rozsahu MHz: oscilátor tloušťkového smyku (režim rovinného smyku)
Co se při tom děje?
Křemenný krystal je vybroušen a broušen (obvykle AT broušením) tak, aby při přiložení střídavého napětí v rozsahu MHz kmital v určitém tahovém režimu. Křemen se nepohybuje v podélném směru ani příčně k povrchu, ale kmitání probíhá v rovině krystalu, tj. jako boční "střih".
Výsledný pohyb připomíná dvě desky ležící na sobě a posunuté proti sobě - to je "střižný" pohyb.
Jak to funguje v detailu
- AT řez:
- Křemenný krystal je řezán pod určitým úhlem k ose krystalu (přibližně 35°15' k ose Z).
- Tento speciální řez vytváří požadovaný tvar oscilací (střižný režim) a zajišťuje teplotní stabilitu v rozsahu MHz.
- Aplikace střídavého napětí:
- Elektrody na obou stranách křemene vytvářejí elektrické pole v krystalu.
- V důsledku piezoelektrického jevu se krystal mechanicky deformuje (začne kmitat), jakmile se přiloží napětí.
- Mechanické kmitání zase generuje elektrické napětí - samoposilující efekt na rezonanční frekvenci.
- Rezonance v oblasti MHz:
- Tloušťka křemenného krystalu určuje rezonanční frekvenci (například při frekvenci 10 MHz je tloušťka přibližně 0,33 mm).
- Základní frekvence je nejnižší možná vlastní frekvence, při které křemen rezonuje ve smykovém režimu.
Proč právě tato forma vibrací?
Důvod | Vysvětlení |
Dobrá frekvenční stabilita | AT sekce má plochý teplotní frekvenční průběh při pokojové teplotě až do cca 70 °C. |
Účinný přenos energie | Smykový mód se dobře spojuje s elektrickým polem a ztrácí jen málo energie. |
Nízký útlum v oblasti MHz | Kmitání je mechanicky stabilní a má vysoký činitel kvality (Q faktor). |
Možnost malých rozměrů | Závislost tloušťky na frekvenci umožňuje realizovat vysoké frekvence s tenkým křemenem. |
Některé krystaly ve vyšším rozsahu MHz (např. 30 MHz, 50 MHz) používají 3. nebo 5. harmonickou t éhož režimu kmitání. Kmitají tedy na násobku základní frekvence.
Proč?
- Výroba velmi tenkých křemenných krystalů pro vysoké základní frekvence je mechanicky obtížná.
- Místo toho se na vyšší harmonické používají silnější krystaly - jejich výroba je snazší, ale vyžaduje speciální obvody.
Závěr
V rozsahu MHz se základní kmitání používá v režimu kmitání tloušťkovým smykem , protože:
vysoká frekvenční stabilita,
dobrá kvalita (nízké ztráty),
necitlivost na teplotu,
a účinnou elektrickou vazbu.
Díky těmto vlastnostem je ideální pro přesné generátory hodin, které se dnes používají ve všech aplikacích v oblasti elektroniky.
Poznámka za nás: Díky našim základním konstrukcím rezonátorů můžeme dodávat základní frekvence až 285 MHz - viz zde: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
