晶体操作和基本振荡器设计的理论

此文中介绍了晶体操作和基本振荡器设计的理论,以及还讨论了晶振晶体考虑因素和设计限制.欢迎广大工程技术收藏参考.

频率控制装置通常是压电装置,本质上是机电的.机械这些设备的考虑因素(如振动,冲击和处理)与电气一样重要注意事项.从微处理器定时到无线电的各种应用都需要用到晶体频率控制用于信号数据传输.

诸如石英晶体和晶体振荡器的频率控制装置非常脆弱.这些设备应该是处理比电子行业中使用的大多数其他组件要小得多,即使是包装看起来非常坚固.谐振器和滤波器通常是分立的压电器件.振荡器包含一个谐振器使用有源设备和多个分立元件来生产独立的频率控制设备.

谐振器和滤波器

谐振器和滤波器使用各种材料的压电特性.压电一词意味着“压力电力”.因此,这些装置本质上是机电的.一些材料可以使用罗谢尔盐,电气石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和硅二氧化碳(石英)几乎全部使用.

运作理论

单片石英晶体通常用于双极滤波器.这些设备通常是“AT”切割和操作理论与谐振器类似,只是特性高度依赖于谐振器电极配置.离散晶体滤波器中使用的石英晶体谐振器和晶体具有如图所示的等效电路

运动电容C1和运动电感L1定义了器件的串联谐振等式fs=1/(2e((L1*C1)1/2)).这是运动电容阻抗的大小等于运动电感阻抗,因此它们抵消了.在许多情况下串联共振点可以通过找到最小阻抗点来近似(这个串联谐振点也接近于零相移点)这个最小阻抗大约是动态电阻(R1)这些案件.

串联谐振晶体通常用于不需要相位的晶体滤波器和谐振器电路中从晶体转移以振荡.这类振荡器中晶体的有效电阻电路约等于运动电阻R1.在这种情况下的操作频率是石英晶体的串联谐振频率.
并联电容Co(电极电容Ce和保持电容Ch之和)变为在处理串联谐振以上的频率时很重要.

在该区域中,运动电感阻抗增加并且运动电容阻抗增加减小,导致主导感应阻抗.当运动电感阻抗等于时实现了反谐振点的并联电容阻抗.晶体意图在之间运作串联谐振和反谐振点称为“并联谐振晶体”.这些晶振晶体是由负载电容(CL)指定它们用于工作.等效串联电阻(并联谐振晶体的等效电阻)可以计算出平行谐振晶体的等效电阻通过ESR=R1*((1+Co/CL)2).频率从串联到并联谐振点的变化由下式给出Δf=(C1/2)*(1/(CL+Co))达到.Δf*106会以ppm为单位给出答案.频率从一个平行移动通过Δf=(C1/2)*[(CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co))]给出与另一个的共振点.再次Δf*106将以ppm为单位给出答案.还要注意,在所有上述等式中,所有电容必须处于相同的单位(即pf).虽然可以在另一个应用中操作用于一种应用的晶体,但重要的是请注意,现在校准将通过原始校准加上上述计算的偏移.也,温度漂移因CL而异,因此不再针对应用进行优化.对于因此,不建议使用通用晶体来实现多种应用.

陶瓷谐振器类似于石英晶体谐振器,由于高电平而增加了分流电阻Ro通过陶瓷谐振器的电阻路径.通过谐振器的定义,其他谐振器将是在性质上与上述谐振器类似.谐振点将由等效电感/电容设定谐振.

特点:已经开发了许多不同的石英切割(从参考的不同切割角度)用于商业使用.AT,BT和SC切口都是厚度剪切振动模式(见图2).

因此,这些切口通常切成圆形薄盘,其厚度与频率成反比.这些盘或坯料的每一侧都有电极,用于进行电连接到水晶.最低频率响应是晶体的基本模式.还有响应大约是这个基频的三倍,五次,七次等等第三个泛音,第五个泛音,第七个泛音等

AT切割是这些“高频”切割中最常用的.据估计超过90％今天生产的石英晶体是AT切割.AT切割温度系数是三次曲线(见图3)

曲线和翻转点的具体形状可以通过切割角度的微小变化来调整.这个温度特性为各种应用和温度提供了这种切割的晶振晶体多功能性范围.频率常数为1.661MHz-mm,通常限制在约40MHz小直径坯料的基本模式.使用轮廓加工技术降低AT频率的低端范围约为500kHz,但取决于支架尺寸.虚假或不必要的反应AT切割通常是可预测的并且可以使用能量捕获技术很好地控制.然而,可能需要使用诸如可拉性(频率的量)之类的参数来交换虚假边缘负载电容变化的变化).

具有2.536MHz-mm频率常数的BT切割可以扩展上面的频率范围AT的频率降至50MHz以上.英国电信的削减并不像AT削减那样被广泛接受大多数应用中的温度特性较差.温度曲线是向下抛物线曲线.转换点可以随切割角度而变化,并且曲线公式通常是f=-0.040*(To-Ta)2其中To是转换温度(EC),Ta是感兴趣的温度(EC),并且f以ppm为单位.

SC(应力补偿)切割在设计上与AT切割晶体类似,不同之处在于它是双旋转切割.这个意味着从石英条切出的角度绕两个轴旋转,而不是从三个轴旋转一个参考轴.SC切割的石英贴片晶振频率常数为1.797MHz-mm.通常是耦合模式比AT切割差,晶振晶体电阻一般更高.在转换中必须更加谨慎设计从一个泛音的操作到另一个.通过适当的设计考虑,SC切割产生了一个可用的晶体,其频率随温度的变化非常小(在±25的范围内约为+/-1ppm)EC.范围).