Piesoresonaator

Kvartsresonaator on kvartskristallist kindla nurga all väljalõigatud õhuke ümmargune või ristkülikukujuline plaat, mis on kinnitatud hoidikusse kahe metallplaadi ‒ elektroodi ‒ vahele.

Võnkumise genereerimine toimub resonaatori resonantsisagedusel elektromehaaniliselt: kristalli elektroodidele rakendatud elektripinge kutsub piesoelektrilise pöördefekti tulemusena esile elektroodide vahekauguse muutumise; kui kristallile väljastpoolt rakendatud elektripinge muutub nulliks (vahelduvvoolu korral läbib pingekõver nulli), taastab kristall oma esialgse kuju, kusjuures kristalli elektroodide vahel tekib elektripinge (nüüd piesoefekti toimel). Kui seda pinget kasutada võimenduslülituses positiivse tagasiside signaalina, saadakse katkematute siinusvõnkumiste generaator ‒ ostsillaator, millel on väga suur hüvetegur ja stabiilne võnkesagedus.

Kvartsi oluliseks eeliseks on samuti resonantsisageduse väike sõltuvus temperatuurist ja ajaline stabiilsus. Pikkamööda kristalli omavõnkesagedus siiski veidi muutub; seda omadust nimetatakse vananemiseks. Põhjuseks võib olla näiteks see, et elektroodidest difundeeruvad aatomid kristallivõresse, seda moonutades, ka võib elektroodide surve kristallile nõrgeneda.

Kvartsresonaatori resonantsisagedus on määratud tema mõõtmete ja lõike orientatsiooniga, s.t millise nurga all kristalli x-y-z-telgede suhtes plaat on välja lõigatud. Valmistatakse kvartsresonaatoreid resonantsisagedusega mõnest kilohertsist sadade megahertsideni. Ligikaudu 1 MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad.

Kõige levinum on AT-tüüpi lõige, sest sel on hea sageduse ajaline stabiilsus ja lineaarne temperatuurisõltuvus; viimane asjaolu võimaldab rakendada tõhusat temperatuurikompensatsiooni. Samas on seda tüüpi lõiked mõõtmetelt väikesed ning seega tundlikumad väliste füüsiliste mõjude suhtes. Ligilähedaselt sarnasuguse temperatuurisõltuvusega on ka FC- ja SC-lõiked, ent resonaatorid on mehaaniliselt tugevamad.^[1][2]

Kvartsresonaatori elektrilise aseskeem koosneb järgmistest elementidest:

• C₀ ‒ staatiline mahtuvus metallelektroodide vahel, enamasti mõni pikofarad;
• C ‒ dünaamiline mahtuvus võnkeringi jadavõnkesagedusel; sõltub kristalli elektroodide suurusest ja mõõdetakse femtofaradites;
• L ‒ dünaamiline induktiivsus jadavõnkesagedusel;

R ‒ takistus jadavõnkesagedusel.

Resonaator on samaväärne jadavõnkeringiga LCR, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus C₀. Kuna suhe L/C on suur ja kaotakistus R väike,siis on kvartsgeneraatori hüvetegur väga suur, ulatudes sadade tuhandeteni.

Keraamiliste resonaatorite pilt, tingmärk (mahtuvusharundiga), resonaatori aseskeem ja keraamilise resonaatoriga ostsillaatori skeem

Keraamiline resonaator valmistatakse ferroelektrikust (piesoelektriliste omadustega keraamilisest materjalist) ja kasutatakse nagu kvartsresonaatorit peamiselt kompaktsetes ostsillaatorites. Keraamilised resonaatorid jäävad sageduse täpsuselt ja ka stabiilsuse poolest kvartsresonaatoritest tunduvalt maha, ent on mõõtmeilt väiksemad (SMD-komponendid nt 1,2×3,2 mm), mehaaniliselt tugevamad ja märksa odavamad toota. Resonaatori valmistamisel lisatakse ka võnkesagedust määravad kondensaatorid, mistõttu lihtsustub ostsillaatori skeem. Keraamilised resonaatorid valmistatakse mitmeastmelise termilise ja mehaanilise töötlemise käigus ferromagnetiliste materjalide graanulite peeneks jahvatatud komposiitmaterjalist. Peamised lähtematerjalid on plii-tsirkonaat-titanaadid, plii-magneesium-niobaadid ja kaalium-naatrium-niobaadid koos muude metallide lisanditega.

Resonantsisageduse tolerants jääb etteantud temperatuurivahemikus piiresse ±(0,1‒0,5)%; see on keskmiselt 50 korda suurem kui kvartsresonaatoril. Resonantsisagedus ajaliseks muutuseks annavad tootjad ±0,3% 10 aasta jooksul.

Piesoelektrilised omadused teatud materjalide puhul avastas 1880. aastal Jacques ja Pierre Curie. Esimese maailmasõja ajal uurisid Paul Langevin ja Constantin Chilowski kvartsi võnkeomadusi allveelaevu tuvastava sonari väljatöötamiseks. 1917. aastal ehitas Alexander M. Nicholson, kes töötas Bell Labsis, esimese kristalli sisaldava ostsillaatori, milles oli kasutusel Rochelle'i soola kristalli.^[3] Neli aastat hiljem valmistas Walter Guyton Cady, esimese kvartskristallostsillaatori^[4]

Aastal 1926 hakati kvartskristalle kasutama raadiosaatjates. 1928. a. töötas Warren Marrison välja esimese kvartskella. Sellest ajast hakati aja arvestamisel toetuma kvartskristalli vibratsioonile, mis tagas suure täpsuse (viga 33 millisekundit aastas ehk 1 sekund 30 aasta jooksul).

1969. aastal tõi Jaapani kellatootja Seiko turule esimese kvartskäekella, mis küll ei osutunud kuigi populaarseks peamiselt kalli hinna tõttu (see oli võrdne auto hinnaga). Sellegipoolest märkis IEEE selle ära ühe olulisema saavutusena elektro- ja elektroonikatehnika vallas.^[5]

• Kristallostsillaator