Voor MHz oscillerende kristallen wordt de zogenaamde "fundamentele oscillatie" (fundamentele trilling) of een harmonische (meestal de derde of vijfde harmonische) gebruikt. De doorslaggevende factor hierbij is de mechanische trillingsmodus van het kwartskristal, die gebaseerd is op het piëzo-elektrisch effect van kwarts. In het MHz-bereik wordt de fundamentele modus (verkrijgbaar bij PETERMANN-TECHNIK GmbH tot 285 MHz) meestal gebruikt in dedikte-scheer modus.
Oscillatiemodus in het MHz-bereik: dikteschuifoscillator (vlakschuifmodus)
Wat gebeurt er in het proces?
Het kwartskristal wordt geslepen en geslepen (meestal AT geslepen) op zo'n manier dat het gaat oscilleren in een bepaalde stuwstand wanneer er een wisselspanning in het MHz-bereik wordt toegepast. Het kwarts beweegt niet in de lengterichting of dwars op het oppervlak, maar de oscillatie vindt plaats in het vlak van het kristal, d.w.z. als een zijdelingse "afschuiving".
De resulterende beweging doet denken aan twee platen die op elkaar liggen en tegen elkaar worden verschoven - dit is de "schuivende" beweging.
Hoe het in detail werkt
- AT-slijping:
- Het kwartskristal wordt onder een specifieke hoek ten opzichte van de kristalas geslepen (ongeveer 35°15' ten opzichte van de Z-as).
- Deze speciale snede produceert de gewenste oscillatievorm (afschuifmodus) en zorgt voor temperatuurstabiliteit in het MHz-bereik.
- Aanbrengen van een wisselspanning:
- Elektroden aan beide zijden van het kwarts genereren een elektrisch veld door het kristal.
- Door het piëzo-elektrisch effect vervormt het kristal mechanisch (het begint te trillen) zodra er een spanning op wordt gezet.
- De mechanische trilling genereert op zijn beurt een elektrische spanning - een zichzelf versterkend effect op de resonantiefrequentie.
- Resonantie in het MHz-bereik:
- De dikte van het kwartskristal bepaalt de resonantiefrequentie (bij 10 MHz is de dikte bijvoorbeeld ongeveer 0,33 mm).
- De fundamentele frequentie is de laagst mogelijke natuurlijke frequentie waarbij het kwarts resoneert in afschuifmodus.
Waarom deze specifieke vorm van vibratie?
Reden | Uitleg |
Goede frequentiestabiliteit | AT-sectie heeft een vlak temperatuurfrequentiegedrag bij kamertemperatuur tot ongeveer 70 °C. |
Efficiënte energieoverdracht | De schuifmodus koppelt goed met het elektrische veld en verliest weinig energie. |
Lage demping in het MHz-bereik | De oscillatie is mechanisch stabiel en heeft een hoge kwaliteitsfactor (Q-factor). |
Kleine afmetingen mogelijk | De dikte-frequentie relatie maakt het mogelijk hoge frequenties te realiseren met dun kwarts. |
Sommige kristallen in het hogere MHz-bereik (bijvoorbeeld 30 MHz, 50 MHz) gebruiken de 3e of 5e harmonische van dezelfde oscillatiemodus. Ze oscilleren daarom op een veelvoud van de fundamentele frequentie.
Waarom?
- Het vervaardigen van zeer dunne kwartskristallen voor hoge fundamentele frequenties is mechanisch moeilijk.
- In plaats daarvan worden dikkere kristallen gebruikt voor een hogere harmonische - eenvoudiger te fabriceren, maar waarvoor speciale schakelingen nodig zijn.
Conclusie
In het MHz-bereik wordt de fundamentele trilling gebruikt in de dikte-schuif-oscillatiemodus omdat het:
hoge frequentiestabiliteit,
goede kwaliteit (lage verliezen),
ongevoeligheid voor temperatuur,
en efficiënte elektrische koppeling.
Deze eigenschappen maken het ideaal voor nauwkeurige klokgeneratoren, zoals vandaag de dag gebruikt in alle toepassingen in de elektronicasector.
Een opmerking namens onszelf: Dankzij onze fundamentele resonatorontwerpen kunnen we fundamentele frequenties tot 285 MHz leveren - zie hier: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
