Энциклопедия практической электроники - Рутледж Д.
ISBN 5-94074-096-0
Скачать (прямая ссылка):
В результате, например, часы при перепаде температуры в 10 0C отстают или спешат всего на одну секунду за 24 часа. Такая высокая стабильность очень важна
1 Радиолюбители называют их кварцами, мы тоже будем придерживаться этой терминологии. -Прим. науч. ред.
ГЇ42] 5. ФИЛЬТРЫ_
Рис 5.12. Кварцевый кристалл с металлическими контактами. Чтобы обеспечить минимальные изменения напряжений, толщина кварца с АТ-срезом должна составлять примерно 1,67 мм/f, где f - частота в мегагерцах (а). Упрощенная модель пьезоэлектрического эффекта. Точки приложения равнодействующих положительных и отрицательных зарядов совпадают (б). Смещение зарядов при механическом воздействии. При этом точки приложения равнодействующих положительных и отрицательных зарядов изменяют свое пространственное положение. На рисунке «плюс» (+) означает точку приложения (центр) равнодействующей эффективного Положительного заряда/ а «минус» (-) - центр эффективного отрицательного заряда (в)_
Тонкая пластина кварца имеет напыленные с обеих сторон металлические контакты. Напряжение, приложенное к ним, образует между электродами электрическое поле Е, которое вызывает в кристалле направленное перпендикулярно линиям поля механическое напряжение, способствующее механическому перемещению.
Точная картина пьезоэлектрического эффекта очень сложна, поэтому рассмотрим лишь принцип его действия. Внутри твердого тела атомы содержат различные электрические заряды. Например, в кварце атомы кислорода содержат отрицательный суммарный заряд, а атомы кремния - положительный суммарный заряд. На рис. 5.126 заряженные атомы изображены по углам треугольника. Центры приложения суммарного положительного и суммарного отрицательного зарядов совпадают, находятся в одной точке и как бы нейтрализуют друг друга. При приложении механической силы центры зарядов (точки равнодействия) смещаются и пространственно разделяются (рис. 5.12в). Это приводит к тому, что в направлении, перпендикулярном механическому воздействию, возникает электрическое напряжение.
Если рассматривать процессы с точки зрения электротехники, то в кристалле возможен как последовательный, так и параллельный резонанс. На рис. 5.13а приведено изображение кварца, принятое в схемах, а на 5.136 - его эквивалентная схема. Она содержит последовательно включенные элементы R, L и С.
Строго говоря, эти элементы имеют не электрические, а только механические параметры. Поэтому L и С называются двигательная индуктивность (обусловленная движением) и двигательная емкость, что подчеркивает их механический характер. В рассматриваемом случае значение L определяет плотность кристалла,
б)
в)
и в приемопередающих устройствах, поскольку рабочая частота не должна изменяться при колебаниях температуры. На рис. 5.12 изображена структура кварцевого резонатора.
5.6. ИНВЕРТОРЫ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ p43J
°—0—° 1-її-1
а) б)
Рис 5.13. Схемное изображение кварца (а) и его эквивалентная схема (б)
С - его жесткость, a R - потери при механических колебаниях. Параллельно включенный конденсатор Ср, напротив, имеет чисто электрический характер. Это объясняется наличием емкости между двумя электрическими контактами, его величина составляет несколько пикофарад. Конденсатор Cn обеспечивает в кристалле параллельный резонансный контур, частота которого на несколько килогерц выше частоты последовательного резонанса. Это оказывает влияние на работу фильтров, имеющих узкую полосу пропускания (до частот параллельного резонанса). Однако при работе с фильтрами, которые имеют полосу пропускания несколько сотен килогерц, данным явлением можно пренебречь.
5.6. Инверторы полного сопротивления
Для полосовых фильтров, которые были рассмотрены ранее, необходимы как параллельные, так и последовательные резонансные контуры. Однако при конструировании узкополосного фильтра возникают проблемы, потому что у контура должно быть высокое значение добротности. На основе кристаллического кварца легко изготовить последовательный резонансный контур с высоким значением Q, однако получить параллельный резонансный контур, имеющий эквивалентное значение добротности, невозможно. Но существуют электрические цепи, выполняющие функции инверторов полного сопротивления, преобразуя последовательный резонанс в параллельный. Это позволяет изготовить на основе кварца полосовые фильтры, содержащие инверторы полного сопротивления и последовательные резонансные контуры. Ранее уже рассматривалась схема, инвертирующая полное сопротивление. В предыдущей главе было показано, что четвертьволновая линия передачи действует аналогично инвертору. Однако для интересующего нас диапазона частот чет- ~
вертьволновый отрезок кабеля будет слишком длинным. Поэтому инвертор полного сопротивления лучше изготовить на основе дискретных катушек индуктивности и конденсаторов. Нужная схема приведена на рис. 5.14.
Для того чтобы проанализировать работу данной схемы, запишем входное сопротивление Z1 как:
-~ -JX
I
Рис. 5.14. Инвертор полного сопротивления с нагрузкой Z,. Значения реактивных сопротивлений катушки индуктивности и конденсатора одинаковы
