此文中介紹了晶體操作和基本振蕩器設(shè)計(jì)的理論,以及還討論了晶振晶體考慮因素和設(shè)計(jì)限制.歡迎廣大工程技術(shù)收藏參考.

頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質(zhì)上是機(jī)電的.機(jī)械這些設(shè)備的考慮因素(如振動(dòng),沖擊和處理)與電氣一樣重要注意事項(xiàng).從微處理器定時(shí)到無線電的各種應(yīng)用都需要用到晶體頻率控制用于信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸.

諸如石英晶體和晶體振蕩器的頻率控制裝置非常脆弱.這些設(shè)備應(yīng)該是處理比電子行業(yè)中使用的大多數(shù)其他組件要小得多,即使是包裝看起來非常堅(jiān)固.諧振器和濾波器通常是分立的壓電器件.振蕩器包含一個(gè)諧振器使用有源設(shè)備和多個(gè)分立元件來生產(chǎn)獨(dú)立的頻率控制設(shè)備.

諧振器和濾波器

諧振器和濾波器使用各種材料的壓電特性.壓電一詞意味著“壓力電力”.因此,這些裝置本質(zhì)上是機(jī)電的.一些材料可以使用羅謝爾鹽,電氣石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和硅二氧化碳(石英)幾乎全部使用.

運(yùn)作理論

單片石英晶體通常用于雙極濾波器.這些設(shè)備通常是“AT”切割和操作理論與諧振器類似,只是特性高度依賴于諧振器電極配置.離散晶體濾波器中使用的石英晶體諧振器和晶體具有如圖所示的等效電路

運(yùn)動(dòng)電容C1和運(yùn)動(dòng)電感L1定義了器件的串聯(lián)諧振等式fs=1/(2e((L1*C1)1/2)).這是運(yùn)動(dòng)電容阻抗的大小等于運(yùn)動(dòng)電感阻抗,因此它們抵消了.在許多情況下串聯(lián)共振點(diǎn)可以通過找到最小阻抗點(diǎn)來近似(這個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)也接近于零相移點(diǎn))這個(gè)最小阻抗大約是動(dòng)態(tài)電阻(R1)這些案件.

串聯(lián)諧振晶體通常用于不需要相位的晶體濾波器和諧振器電路中從晶體轉(zhuǎn)移以振蕩.這類振蕩器中晶體的有效電阻電路約等于運(yùn)動(dòng)電阻R1.在這種情況下的操作頻率是石英晶體的串聯(lián)諧振頻率.
并聯(lián)電容Co(電極電容Ce和保持電容Ch之和)變?yōu)樵谔幚泶?lián)諧振以上的頻率時(shí)很重要.

在該區(qū)域中,運(yùn)動(dòng)電感阻抗增加并且運(yùn)動(dòng)電容阻抗增加減小,導(dǎo)致主導(dǎo)感應(yīng)阻抗.當(dāng)運(yùn)動(dòng)電感阻抗等于時(shí)實(shí)現(xiàn)了反諧振點(diǎn)的并聯(lián)電容阻抗.晶體意圖在之間運(yùn)作串聯(lián)諧振和反諧振點(diǎn)稱為“并聯(lián)諧振晶體”.這些晶振晶體是由負(fù)載電容(CL)指定它們用于工作.等效串聯(lián)電阻(并聯(lián)諧振晶體的等效電阻)可以計(jì)算出平行諧振晶體的等效電阻通過ESR=R1*((1+Co/CL)2).頻率從串聯(lián)到并聯(lián)諧振點(diǎn)的變化由下式給出Δf=(C1/2)*(1/(CL+Co))達(dá)到.Δf*106會(huì)以ppm為單位給出答案.頻率從一個(gè)平行移動(dòng)通過Δf=(C1/2)*[(CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co))]給出與另一個(gè)的共振點(diǎn).再次Δf*106將以ppm為單位給出答案.還要注意,在所有上述等式中,所有電容必須處于相同的單位(即pf).雖然可以在另一個(gè)應(yīng)用中操作用于一種應(yīng)用的晶體,但重要的是請(qǐng)注意,現(xiàn)在校準(zhǔn)將通過原始校準(zhǔn)加上上述計(jì)算的偏移.也,溫度漂移因CL而異,因此不再針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化.對(duì)于因此,不建議使用通用晶體來實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用.

陶瓷諧振器類似于石英晶體諧振器,由于高電平而增加了分流電阻Ro通過陶瓷諧振器的電阻路徑.通過諧振器的定義,其他諧振器將是在性質(zhì)上與上述諧振器類似.諧振點(diǎn)將由等效電感/電容設(shè)定諧振.

特點(diǎn):已經(jīng)開發(fā)了許多不同的石英切割(從參考的不同切割角度)用于商業(yè)使用.AT,BT和SC切口都是厚度剪切振動(dòng)模式(見圖2).

因此,這些切口通常切成圓形薄盤,其厚度與頻率成反比.這些盤或坯料的每一側(cè)都有電極,用于進(jìn)行電連接到水晶.最低頻率響應(yīng)是晶體的基本模式.還有響應(yīng)大約是這個(gè)基頻的三倍,五次,七次等等第三個(gè)泛音,第五個(gè)泛音,第七個(gè)泛音等

AT切割是這些“高頻”切割中最常用的.據(jù)估計(jì)超過90％今天生產(chǎn)的石英晶體是AT切割.AT切割溫度系數(shù)是三次曲線(見圖3)

曲線和翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的具體形狀可以通過切割角度的微小變化來調(diào)整.這個(gè)溫度特性為各種應(yīng)用和溫度提供了這種切割的晶振晶體多功能性范圍.頻率常數(shù)為1.661MHz-mm,通常限制在約40MHz小直徑坯料的基本模式.使用輪廓加工技術(shù)降低AT頻率的低端范圍約為500kHz,但取決于支架尺寸.虛假或不必要的反應(yīng)AT切割通常是可預(yù)測(cè)的并且可以使用能量捕獲技術(shù)很好地控制.然而,可能需要使用諸如可拉性(頻率的量)之類的參數(shù)來交換虛假邊緣負(fù)載電容變化的變化).

具有2.536MHz-mm頻率常數(shù)的BT切割可以擴(kuò)展上面的頻率范圍AT的頻率降至50MHz以上.英國電信的削減并不像AT削減那樣被廣泛接受大多數(shù)應(yīng)用中的溫度特性較差.溫度曲線是向下拋物線曲線.轉(zhuǎn)換點(diǎn)可以隨切割角度而變化,并且曲線公式通常是f=-0.040*(To-Ta)2其中To是轉(zhuǎn)換溫度(EC),Ta是感興趣的溫度(EC),并且f以ppm為單位.

SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割在設(shè)計(jì)上與AT切割晶體類似,不同之處在于它是雙旋轉(zhuǎn)切割.這個(gè)意味著從石英條切出的角度繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn),而不是從三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)參考軸.SC切割的石英貼片晶振頻率常數(shù)為1.797MHz-mm.通常是耦合模式比AT切割差,晶振晶體電阻一般更高.在轉(zhuǎn)換中必須更加謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)從一個(gè)泛音的操作到另一個(gè).通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)考慮,SC切割產(chǎn)生了一個(gè)可用的晶體,其頻率隨溫度的變化非常小(在±25的范圍內(nèi)約為+/-1ppm)EC.范圍).