параметры пьезоэлектрических резонаторов

2.2.18 параметры пьезоэлектрических резонаторов (parameters of piezoelectric resonators): Основные параметры C₁, L₁, R₁ и С₀ определяют эквивалентную электрическую схему, приведенную на рисунке 1, и все другие параметры можно определять с их помощью. На установленной частоте параметры эквивалентной электрической схемы обычно приближаются к постоянным значениям, поскольку амплитуда колебаний приближается к нулю.

Амплитуда, которая может быть допущена перед тем, как она существенно повлияет на параметры, очень зависит от типа резонатора, и ее можно определять только экспериментально.

Формула для импеданса Z или полной проводимости Y

                                                       (1)

эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрического резонатора является основной формулой, представляющей взаимоотношения между разными параметрами.

В формуле (1)

 и δ = 2πfC₀R₁

являются нормализованным коэффициентом частоты и нормализованным коэффициентом демпфирования соответственно. Определения для f_pи f_sи других обозначений, используемых в формуле (1), и для других основных параметров приведены в таблице 1. Характерные частоты из формулы (1) определены в таблице 2.

Таблица 2 - Решения для разных характеристических частот

Характеристические частоты	Определение	Условие	Соответствующее уравнение для частоты
fm	Частота максимальной проводимости (минимального модуля импеданса)		(Ω2 + δ2)2 - 2δ2(Ω + r) - 2Ωr(1 - Ω) - Ω2 = 0
fs	Частота динамического (последовательного) резонанса	Х1 = 0	Ω = 0
fr	Резонансная частота	хe = вp = 0	Ω(1 - Ω) - δ2 = 0
fa	Антирезонансная частота	хe = вp = 0	Ω (1 - Ω) - δ2 = 0
fp	Частота параллельного резонанса (без потерь)	|хe| = ∞ для R1 = 0	Ω = 1
fn	Частота при минимальной проводимости (максимальном модуле импеданса)		(Ω2 + δ2)2 - 2δ2(Ω + R)- 2Ωr(1 - Ω) - Ω2 = 0

Значение импеданса эквивалентной электрической схемы (|Z|), его активная составляющая R_e, его реактивная составляющая Х_еи реактивное сопротивление Х₁ ветви L₁, C₁, R₁нанесены на рисунке 2 в виде зависимости от частоты для определения разных характерных частот. |Z_m| и |Z_n| обозначают минимальный и максимальный импеданс соответственно и R_r, R_a при нулевом фазовом угле. Эти кривые, однако, имеют только качественный характер и не представляют конкретный пьезоэлектрический резонатор.

Рисунок 2 - Зависимость импеданса |Z|,активного сопротивления R_e,реактивного сопротивления Х_е, сопротивления последовательной ветви Х₁ пьезоэлектрического резонатора от частоты

Для более подробного объяснения на рисунке 3 представлены окружности импеданса и проводимости пьезоэлектрического резонатора. Однако представление в виде окружности импеданса или проводимости пьезоэлектрического резонатора действительно только, если диаметр окружности велик по сравнению с изменением 2πfС₀ в диапазоне резонанса или если r << Q², что выполняется в большинстве резонаторов. Если последние условия не выполняются, кривая проводимости имеет вид циссоиды. Далее предполагается, что импеданс (или проводимость) резонатора можно представить в виде окружности. В таблице 3 приведены данные по Q, r и Q²/r для разных типов резонаторов, показывая, что это предположение справедливо для всех практических случаев.

Рисунок 3 - Диаграмма импеданса и полной проводимости пьезоэлектрического резонатора

Таблица 3 - Предположительные минимальные значения Q/r для различных типов пьезоэлектрических резонаторов

Тип пьезоэлектрического резонатора	Q = Mr	r	Q2/rmin
Пьезоэлектрическая керамика	90 - 500	2 - 40	200
Водорастворимые пьезоэлектрические кристаллы	200 - 50000	3 - 500	80
Кварц	104 - 107	100 - 50000	2000

Для получения практических уравнений для обычного использования необходимо сделать предположения. Погрешность этих предположений в сумме с инструментальной погрешностью управляет общей погрешностью определенных экспериментально параметров.

В качестве первого приближения, достаточного для многих практических случаев, можно сделать следующие предположения

f_m = f_r = f_sи f_a = f_n = f_р.

Более точные соотношения между характерными частотами f_m, f_r, f_a, f_р, f_nи частотой последовательного f_sрезонанса резонатора, действительные для добротности М > 10 и коэффициента емкости r > 10, приведены в таблице 4. Эти соотношения получены при предположении, что М >>1.

Различие между частотами параллельного и последовательного резонансов определяют по уравнению

                                                        (2)

Для больших значений г можно использовать приближение, выраженное формулой

                             (3)

(например, при r > 25 ошибка составляет менее 1 %).

Источник: ГОСТ Р МЭК 60122-1-2009: Резонаторы оцениваемого качества кварцевые. Часть 1. Общие технические условия оригинал документа