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

頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質上是機電的.機械這些設備的考慮因素(如振動,沖擊和處理)與電氣一樣重要注意事項.從微處理器定時到無線電的各種應用都需要用到晶體頻率控制用于信號數據傳輸.

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

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,這些裝置本質上是機電的.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.

運作理論

單片石英晶體通常用于雙極濾波器.這些設備通常是“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

運動電容C1和運動電感L1定義了器件的串聯諧振等式fs=1/(2e((L1*C1)1/2)).這是運動電容阻抗的大小等于運動電感阻抗,因此它們抵消了.在許多情況下串聯共振點可以通過找到最小阻抗點來近似(這個串聯諧振點也接近于零相移點)這個最小阻抗大約是動態電阻(R1)這些案件.

串聯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移以振蕩.這類振蕩器中晶體的有效電阻電路約等于運動電阻R1.在這種情況下的操作頻率是石英晶體的串聯諧振頻率.
并聯電容Co(電極電容Ce和保持電容Ch之和)變為在處理串聯諧振以上的頻率時很重要.

在該區域中,運動電感阻抗增加并且運動電容阻抗增加減小,導致主導感應阻抗.當運動電感阻抗等于時實現了反諧振點的并聯電容阻抗.晶體意圖在之間運作串聯諧振和反諧振點稱為“并聯諧振晶體”.這些晶振晶體是由負載電容(CL)指定它們用于工作.等效串聯電阻(并聯諧振晶體的等效電阻)可以計算出平行諧振晶體的等效電阻通過ESR=R1*((1+Co/CL)2).頻率從串聯到并聯諧振點的變化由下式給出Δf=(C1/2)*(1/(CL+Co))達到.Δf*106會以ppm為單位給出答案.頻率從一個平行移動通過Δf=(C1/2)*[(CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co))]給出與另一個的共振點.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).雖然可以在另一個應用中操作用于一種應用的晶體,但重要的是請注意,現在校準將通過原始校準加上上述計算的偏移.也,溫度漂移因CL而異,因此不再針對應用進行優化.對于因此,不建議使用通用晶體來實現多種應用.

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上與上述諧振器類似.諧振點將由等效電感/電容設定諧振.

特點:已經開發了許多不同的石英切割(從參考的不同切割角度)用于商業使用.AT,BT和SC切口都是厚度剪切振動模式(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都有電極,用于進行電連接到水晶.最低頻率響應是晶體的基本模式.還有響應大約是這個基頻的三倍,五次,七次等等第三個泛音,第五個泛音,第七個泛音等

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

曲線和翻轉點的具體形狀可以通過切割角度的微小變化來調整.這個溫度特性為各種應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AT切割通常是可預測的并且可以使用能量捕獲技術很好地控制.然而,可能需要使用諸如可拉性(頻率的量)之類的參數來交換虛假邊緣負載電容變化的變化).

具有2.536MHz-mm頻率常數的BT切割可以擴展上面的頻率范圍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應用中的溫度特性較差.溫度曲線是向下拋物線曲線.轉換點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是轉換溫度(EC),Ta是感興趣的溫度(EC),并且f以ppm為單位.

SC(應力補償)切割在設計上與AT切割晶體類似,不同之處在于它是雙旋轉切割.這個意味著從石英條切出的角度繞兩個軸旋轉,而不是從三個軸旋轉一個參考軸.SC切割的石英貼片晶振頻率常數為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.在轉換中必須更加謹慎設計從一個泛音的操作到另一個.通過適當的設計考慮,SC切割產生了一個可用的晶體,其頻率隨溫度的變化非常小(在±25的范圍內約為+/-1ppm)EC.范圍).

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