Per i cristalli oscillanti MHz si utilizza la cosiddetta "oscillazione fondamentale" (oscillazione fondamentale) o un'armonica (di solito la terza o la quinta armonica). Il fattore decisivo è il modo meccanico di vibrazione del cristallo di quarzo, che si basa sull'effetto piezoelettrico del quarzo. Nella gamma dei MHz, la modalità fondamentale (disponibile presso PETERMANN-TECHNIK GmbH fino a 285 MHz) è tipicamente utilizzata nella modalità ditaglio dello spessore.
Modalità di oscillazione nella gamma dei MHz: oscillatore a taglio di spessore (modalità a taglio planare)
Cosa succede nel processo?
Il cristallo di quarzo viene molato e tagliato (di solito con taglio AT) in modo tale da oscillare in una certa modalità di spinta quando viene applicata una tensione alternata nella gamma dei MHz. Il quarzo non si muove in direzione longitudinale o trasversale alla superficie, ma l'oscillazione avviene nel piano del cristallo, cioè come una "tranciatura" laterale.
Il movimento che ne deriva ricorda quello di due lastre sovrapposte che si spostano l'una contro l'altra: questo è il movimento di "taglio".
Come funziona in dettaglio
- Taglio AT:
- Il cristallo di quarzo viene tagliato con un angolo specifico rispetto all'asse del cristallo (circa 35°15' rispetto all'asse Z).
- Questo taglio speciale produce la forma di oscillazione desiderata (modalità shear) e garantisce la stabilità della temperatura nella gamma dei MHz.
- Applicazione di una tensione alternata:
- Gli elettrodi su entrambi i lati del quarzo generano un campo elettrico attraverso il cristallo.
- Grazie all'effetto piezoelettrico, il cristallo si deforma meccanicamente (inizia a vibrare) non appena viene applicata una tensione.
- L'oscillazione meccanica genera a sua volta una tensione elettrica: un effetto di auto-rinforzo alla frequenza di risonanza.
- Risonanza nella gamma dei MHz:
- Lo spessore del cristallo di quarzo determina la frequenza di risonanza (a 10 MHz, ad esempio, lo spessore è di circa 0,33 mm).
- La frequenza fondamentale è la frequenza naturale più bassa possibile alla quale il quarzo risuona in modalità di taglio.
Perché questa particolare forma di vibrazione?
Motivo | Spiegazione |
Buona stabilità in frequenza | La sezione AT ha un comportamento piatto in frequenza a temperatura ambiente fino a circa 70 °C. |
Efficiente trasferimento di energia | Il modo di taglio si accoppia bene con il campo elettrico e perde poca energia. |
Bassa attenuazione nella gamma dei MHz | L'oscillazione è meccanicamente stabile e presenta un elevato fattore di qualità (fattore Q). |
Possibilità di dimensioni ridotte | La relazione spessore-frequenza consente di realizzare frequenze elevate con quarzo sottile. |
Alcuni cristalli della gamma superiore di MHz (ad esempio 30 MHz, 50 MHz) utilizzano la terza o la quinta armonica della stessa modalità di oscillazione. Pertanto, oscillano a un multiplo della frequenza fondamentale.
Perché?
- La fabbricazione di cristalli di quarzo molto sottili per le alte frequenze fondamentali è meccanicamente difficile.
- Per le armoniche più alte si utilizzano invece cristalli più spessi, più facili da fabbricare, ma che richiedono circuiti speciali.
Conclusione
Nella gamma dei MHz , l'oscillazione fondamentale viene utilizzata nella modalità di oscillazione a taglio di spessore perché:
stabilità ad alta frequenza,
buona qualità (basse perdite)
insensibilità alla temperatura,
e l'efficiente accoppiamento elettrico.
Queste proprietà la rendono ideale per i generatori di clock di precisione, oggi utilizzati in tutte le applicazioni del settore elettronico.
Una nota da parte nostra: grazie ai nostri progetti di risonatori fondamentali, possiamo fornire frequenze fondamentali fino a 285 MHz - vedi qui: https://www.petermann-technik.de/produkte/quarz-konfigurator.html.
