NEL CRYSTAL是開發和制造前沿頻率控制產品的技術先進者,客戶選擇NEL晶振集團為需要具有挑戰性能規格的石英晶體振蕩器的應用提供最佳解決方案,例超低相位噪聲,低功耗和高頻能力,提供了在各地范圍內與其多樣化貼片晶振,石英晶體產品組合競爭所需的靈活性.NEL是一家通過ISO 9001-2008認證的公司,憑借其產品在可靠性高的方面享有盛譽.康比電子晶振廠家該篇文章介紹NEL晶振及濾波器操作理論
石英晶體和振蕩器等頻率控制設備非常脆弱.這些設備應該比電子工業中使用的大多數其他組件小心得多,盡管包裝看起來非常堅固.頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質上是機電的.這些設備的機械考慮(如振動,沖擊和處理)與電氣考慮同樣重要.從微處理器定時到無線電臺傳輸,各種應用都需要頻率控制.諧振器和濾波器通常是分立的壓電器件.振蕩器包括諧振器以及有源晶振和幾個分立元件,以產生獨立的頻率控制器件.
諧振器和濾波器
諧振器和濾波器利用各種材料的壓電特性.壓電這個詞的意思是"壓力-電".因此,這些設備本質上是機電的.一些可以使用的材料是羅謝爾鹽,電氣石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和二氧化硅(石英)幾乎全部使用.
操作理論
單片石英晶體通常用于兩極濾波器.這些器件通常被"AT"切割,除了特性高度依賴于電極配置之外,工作原理類似于諧振器.石英晶體諧振器和分立晶體濾波器中使用的晶體具有如圖1所示的等效電路.
圖1
運動電容C1和運動電感L1通過等式fs=1/(2π((L1*C1))定義了設備的串聯諧振.這是運動電容阻抗的大小等于運動電感阻抗的點,因此它們抵消了.在許多情況下,可以通過找到最小阻抗點來近似串聯諧振點(該串聯諧振點也接近零相移點),對于這些情況,該最小阻抗將近似為運動電阻(R1).
串聯諧振晶體通常用于晶體濾波器和諧振器電路中,它們不需要從晶振相移來振蕩.這種振蕩器電路中晶體的有效電阻大約等于運動電阻R1.在這種情況下,工作頻率是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的總和)在使用串聯諧振以上的頻率時變得很重要.
在該區域,運動電感阻抗增加,而運動電容阻抗減小,導致主導電感阻抗.當運動電感阻抗等于并聯電容阻抗時,實現了反諧振點.打算在串聯諧振和反諧振點之間工作的晶體被稱為”并聯諧振晶體”.這些晶體由它們要工作的負載電容(CL)指定.并聯諧振晶體的等效串聯電阻(指定負載電容下的等效電阻)可以通過ESR=R1*((1+Co/CL)來計算.頻率從串聯到并聯諧振點的偏移由f=(C1/2)*(1/(CL+Co))給出.f*10將以ppm為單位給出答案.頻率從一個并聯諧振點到另一個諧振點的偏移由f=(C1/2)*((CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co))給出.同樣,f*10將以ppm為單位給出答案.還要注意,在所有上述等式中,所有電容必須以相同的單位表示(即pf).盡管可以在另一個應用中操作一種晶體,但重要的是要注意,通過原始校準加上上述計算的偏移,校準將會停止.此外,溫度漂移從一個CL到另一個CL不同,因此不再針對應用進行優化.因此,多用途通用貼片晶振的想法是不可取的.
陶瓷諧振器類似于石英諧振器,由于通過陶瓷諧振器的高電阻路徑,增加了分流電阻Ro.根據諧振器的定義,其它諧振器本質上與上述諧振器相似.諧振點將由等效電感/電容設置共振.
特征
許多不同的石英切割(與參考切割角度不同)已經被開發用于商業用途.AT,BT和SC切割都是厚度剪切振動模式(見圖2).
圖2
因此,這些切口通常切割成厚度與頻率成反比的圓形薄圓盤.這些圓盤或坯料的每一側都有電極,用來與晶體進行電連接.最低頻率響應是晶體的基本模式.在這個基頻的大約三倍,五倍,七倍,等等,也有響應.這些是第三泛音,第五泛音,第七泛音等.
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AT切割是這些"高頻"切割中最常用的.據估計,今天生產的90%以上的石英晶體都是at切割的.AT切割溫度系數為三次曲線(見圖3).
圖3
曲線和轉折點的具體形狀可以通過切割角度的微小變化來調整.這種溫度特性為壓電石英晶體的廣泛應用和溫度范圍提供了多樣性.頻率常數為1.661MHz-mm,對于小直徑坯件,在基模上通常限制在大約40MHz.使用輪廓繪制技術,AT頻率范圍的低端約為500kHz,但取決于支架尺寸.AT切割中的虛假或不想要的響應通常是可預測的,并且可以使用能量捕獲技術很好地控制.然而,偽余量可能需要與可拉性(頻率隨負載電容變化的量)等參數進行權衡.
BT切割具有2.536MHz-mm的頻率常數,可以將at切割的頻率范圍之上的高頻范圍擴展到50MHz以上.BT切割不像AT切割那樣被廣泛接受,因為在大多數應用中它的溫度特性較差.溫度曲線是向下拋物線.翻轉點可以隨切割角度變化,曲線公式通常為f=-0.040*(To-Ta),其中To是翻轉溫度(EC),Ta是感興趣的溫度(EC),f是ppm.
SC(應力補償)切割在設計上類似于AT切割,除了它是雙旋轉切割.這意味著它從石英棒上切下的角度圍繞兩個軸旋轉,而不是僅僅從三個參考軸旋轉一個.SC切割的頻率常數為1.797MHz-mm.耦合模式通常比AT切割差,晶體電阻通常更高.在將設計從一種操作泛音轉換到另一種操作泛音時,必須更加小心.出于適當的設計考慮,SC切割產生了一種頻率隨溫度變化非常小的可用晶體(在25EC上大約+/-1ppm).范圍).
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石英晶體的CT和DT切割都是面剪切振動模式(見圖4).
圖4
這兩個切口具有相似的特征.CT切割通常可以設計用于300kHz至900kHz范圍內的頻率,DT切割可以設計用于75kHz至800kHz范圍內的頻率.兩個切口都有向下的拋物線頻率-溫度曲線.DT通常在頻率允許的情況下是優選的,因為它的溫度系數較低(大約-0.060ppm/EC).用于CT和-0.018ppm/EC.用于DT).石英晶體的GT切割是一種寬度延伸的振動模式.GT切割可以被設計用于大約100kHz到3.0MHz的頻率.在-25EC的溫度范圍內,溫度系數幾乎為零.至+75E攝氏度,溫度變化為15EC.在該平坦區域中點的兩側,頻率變化不會超過0.1ppm.E(或5度).x切割)和石英晶體諧振器的MT切割都是縱向振動模式(見圖5).
圖5
E切割通常可以設計在50千赫到250千赫的范圍內.E截止廣泛用于低頻晶體濾波器,因為它具有低的Co/C1比和合理的低溫系數.在大多數情況下,周轉溫度可以從大約0攝氏度變化.到50攝氏度.MT切割通常可以設計在80kHz到200kHz范圍內.E切割的溫度系數約為-0.040ppm/EC,MT切割的溫度系數約為-0.038ppm/EC.H,J,NT和XY切口都是振動的彎曲模式.H,XY和NT切割是長寬彎曲(見圖6).
圖6
圖7
J板(切口)具有這些低頻晶體的最低頻率范圍(1kHz至12kHz).J板實際上是兩塊粘合在一起的石英板.選擇這兩塊板,使得對于所施加的給定電場,一塊板的機械運動與另一塊板異相.這產生非常低的頻率.H板(切口)可以設計在大約8kHz到130kHz的頻率范圍內.H板晶體廣泛用于寬帶濾波器(通常低于E截止頻率范圍).溫度系數是線性的,從大約[-8×10^-6/EC到-16×10^-6/EC變化.NT切割可以設計在大約8kHz到130kHz的頻率范圍內.翻轉溫度可以從+15℃變化.C至+80度.大多數情況下.nt切割的溫度系數約為-0.036ppm/EC.XY條在3kHz至85kHz范圍內很受歡迎.還有32.768K,它的體積比許多其他低頻切口小,阻抗低,Co/C1比率低,因此非常受歡迎.實時時鐘應用程序可能是這次削減的最大用戶.XY條的溫度系數為-0.033pm/EC.對于低頻晶體,高頻晶體(at,BT和SC)參考溫度下的校準頻率在+/-10ppm以內,在幾Hz以內,這被認為是一個嚴格的公差,但是具有合理的產量.必須限制應用程序中的驅動器級別,以防止異常老化或損壞.對于高頻晶體,該驅動電平可能需要限制在1mW,對于一些低頻晶體,該驅動電平可能需要低至0.1mW.老化也會受到安裝,石英缺陷以及高溫下長時間的影響.
陶瓷諧振器通常用于精度較低的應用.這些設備的初始精度(校準)范圍從0.05%到1.0%.陶瓷諧振器的溫度穩定性約為15ppm/EC.老化在0.5%/10年的范圍內.這些器件的Q值比石英晶體低得多,而且似乎更容易出現虛假的工作模式.
SAW(表面聲波)裝置通常用在BAW(體聲波)晶體的頻率范圍之上,例如at切割.前面討論的所有晶振都是BAW晶體,因此大部分石英都涉及激發區域.SAW僅涉及所用襯底的表面.頻率由電極"手指"之間的距離設定(見圖8).
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圖8
石英,鉭酸鋰和鈮酸鋰是這類器件的常見襯底.初始精度取決于"手指"打印的精度.初始精度可在50至200ppm范圍內.對于鉭酸鋰,石英的近似溫度常數為0.03ppm/EC和-20ppm/EC.目前可獲得3.5GHz的高頻.低端主要受尺寸限制,因為AT變得更加實用.
建筑
高頻切口(AT,BT和SC切口)通常使用安裝在支架立柱上的彈簧或通道安裝在邊緣上.必須仔細考慮坯料的質量以及應用的機械沖擊和振動.如果安裝太硬,坯料會更容易斷裂.如果底座對于坯料的質量來說有太多的"給予",坯料將撞擊支架并斷裂.帶狀諧振器通常被AT切割,與用于更常規的高頻晶體的盤相比,帶狀諧振器被用于小得多的封裝中.正因為如此,制造商已經開發了許多方法來安裝這些基本上為矩形的晶體.由于它們質量較低,體積較小,機械沖擊和振動并不像傳統高頻晶體那樣重要.
低頻切割不是具有相對穩定的邊緣,而是具有相對靜止的節點.這些節點用于機電連接.根據振動模式,兩邊各有一個或兩個節點.細線連接到這些節點上,然后另一端連接到包裝的柱子上.這意味著這些石英晶體振蕩器被兩到四根細線懸掛著.由于這一點以及這些非常大的晶體的質量,很明顯大多數低頻晶體的機械沖擊和振動不會像高頻晶體那樣高.
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