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NEL CRYSTAL及濾波器操作理論

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2019-01-09 09:57:51【大中小】

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NEL CRYSTAL是開發(fā)和制造前沿頻率控制產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)者,客戶選擇NEL晶振集團(tuán)為需要具有挑戰(zhàn)性能規(guī)格的石英晶體振蕩器的應(yīng)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(nèi)與其多樣化貼片晶振,石英晶體產(chǎn)品組合競(jìng)爭(zhēng)所需的靈活性.NEL是一家通過ISO 9001-2008認(rèn)證的公司,憑借其產(chǎn)品在可靠性高的方面享有盛譽(yù).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(shè)備非常脆弱.這些設(shè)備應(yīng)該比電子工業(yè)中使用的大多數(shù)其他組件小心得多,盡管包裝看起來非常堅(jiān)固.頻率控制裝置通常是壓電裝置,本質(zhì)上是機(jī)電的.這些設(shè)備的機(jī)械考慮(如振動(dòng),沖擊和處理)與電氣考慮同樣重要.從微處理器定時(shí)到無線電臺(tái)傳輸,各種應(yīng)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(gè)分立元件,以產(chǎn)生獨(dú)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(gè)詞的意思是"壓力-電".因此,這些設(shè)備本質(zhì)上是機(jī)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(yùn)動(dòng)電容C1和運(yùn)動(dòng)電感L1通過等式fs=1/(2π((L1*C1))定義了設(shè)備的串聯(lián)諧振.這是運(yùn)動(dòng)電容阻抗的大小等于運(yùn)動(dòng)電感阻抗的點(diǎn),因此它們抵消了.在許多情況下,可以通過找到最小阻抗點(diǎn)來近似串聯(lián)諧振點(diǎn)(該串聯(lián)諧振點(diǎn)也接近零相移點(diǎn)),對(duì)于這些情況,該最小阻抗將近似為運(yùn)動(dòng)電阻(R1).

串聯(lián)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(yùn)動(dòng)電阻R1.在這種情況下,工作頻率是晶體的串聯(lián)諧振頻率.

并聯(lián)電容Co(電極電容ce和保持電容Ch的總和)在使用串聯(lián)諧振以上的頻率時(shí)變得很重要.

在該區(qū)域,運(yùn)動(dòng)電感阻抗增加,而運(yùn)動(dòng)電容阻抗減小,導(dǎo)致主導(dǎo)電感阻抗.當(dāng)運(yùn)動(dòng)電感阻抗等于并聯(lián)電容阻抗時(shí),實(shí)現(xiàn)了反諧振點(diǎn).打算在串聯(lián)諧振和反諧振點(diǎn)之間工作的晶體被稱為”并聯(lián)諧振晶體”.這些晶體由它們要工作的負(fù)載電容(CL)指定.并聯(lián)諧振晶體的等效串聯(lián)電阻(指定負(fù)載電容下的等效電阻)可以通過ESR=R1*((1+Co/CL)來計(jì)算.頻率從串聯(lián)到并聯(lián)諧振點(diǎn)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(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)到另一個(gè)諧振點(diǎn)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(gè)應(yīng)用中操作一種晶體,但重要的是要注意,通過原始校準(zhǔn)加上上述計(jì)算的偏移,校準(zhǔn)將會(huì)停止.此外,溫度漂移從一個(gè)CL到另一個(gè)CL不同,因此不再針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)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(jù)諧振器的定義,其它諧振器本質(zhì)上與上述諧振器相似.諧振點(diǎn)將由等效電感/電容設(shè)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(jīng)被開發(fā)用于商業(yè)用途.AT,BT和SC切割都是厚度剪切振動(dòng)模式(見圖2).

NEL CRYSTAL及濾波器操作理論

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(cè)都有電極,用來與晶體進(jìn)行電連接.最低頻率響應(yīng)是晶體的基本模式.在這個(gè)基頻的大約三倍,五倍,七倍,等等,也有響應(yīng).這些是第三泛音,第五泛音,第七泛音等.

AT切割是這些"高頻"切割中最常用的.據(jù)估計(jì),今天生產(chǎn)的90%以上的石英晶體都是at切割的.AT切割溫度系數(shù)為三次曲線(見圖3).

圖3

曲線和轉(zhuǎn)折點(diǎn)的具體形狀可以通過切割角度的微小變化來調(diào)整.這種溫度特性為壓電石英晶體的廣泛應(yīng)用和溫度范圍提供了多樣性.頻率常數(shù)為1.661MHz-mm,對(duì)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(shù),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(yīng)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,偽余量可能需要與可拉性(頻率隨負(fù)載電容變化的量)等參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡.

BT切割具有2.536MHz-mm的頻率常數(shù),可以將at切割的頻率范圍之上的高頻范圍擴(kuò)展到50MHz以上.BT切割不像AT切割那樣被廣泛接受,因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用中它的溫度特性較差.溫度曲線是向下拋物線.翻轉(zhuǎn)點(diǎn)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(zhuǎn)溫度(EC),Ta是感興趣的溫度(EC),f是ppm.

SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割在設(shè)計(jì)上類似于AT切割,除了它是雙旋轉(zhuǎn)切割.這意味著它從石英棒上切下的角度圍繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn),而不是僅僅從三個(gè)參考軸旋轉(zhuǎn)一個(gè).SC切割的頻率常數(shù)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(shè)計(jì)從一種操作泛音轉(zhuǎn)換到另一種操作泛音時(shí),必須更加小心.出于適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)考慮,SC切割產(chǎn)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).

石英晶體的CT和DT切割都是面剪切振動(dòng)模式(見圖4).

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圖4

這兩個(gè)切口具有相似的特征.CT切割通常可以設(shè)計(jì)用于300kHz至900kHz范圍內(nèi)的頻率,DT切割可以設(shè)計(jì)用于75kHz至800kHz范圍內(nèi)的頻率.兩個(gè)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(yōu)選的,因?yàn)樗臏囟认禂?shù)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(dòng)模式.GT切割可以被設(shè)計(jì)用于大約100kHz到3.0MHz的頻率.在-25EC的溫度范圍內(nèi),溫度系數(shù)幾乎為零.至+75E攝氏度,溫度變化為15EC.在該平坦區(qū)域中點(diǎn)的兩側(cè),頻率變化不會(huì)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(dòng)模式(見圖5).

NEL CRYSTAL及濾波器操作理論

圖5

E切割通常可以設(shè)計(jì)在50千赫到250千赫的范圍內(nèi).E截止廣泛用于低頻晶體濾波器,因?yàn)樗哂械偷腃o/C1比和合理的低溫系數(shù).在大多數(shù)情況下,周轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)在80kHz到200kHz范圍內(nèi).E切割的溫度系數(shù)約為-0.040ppm/EC,MT切割的溫度系數(shù)約為-0.038ppm/EC.H,J,NT和XY切口都是振動(dòng)的彎曲模式.H,XY和NT切割是長(zhǎng)寬彎曲(見圖6).

NEL CRYSTAL及濾波器操作理論

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(shí)際上是兩塊粘合在一起的石英板.選擇這兩塊板,使得對(duì)于所施加的給定電場(chǎng),一塊板的機(jī)械運(yùn)動(dòng)與另一塊板異相.這產(chǎn)生非常低的頻率.H板(切口)可以設(shè)計(jì)在大約8kHz到130kHz的頻率范圍內(nèi).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(shù)是線性的,從大約[-8×10^-6/EC到-16×10^-6/EC變化.NT切割可以設(shè)計(jì)在大約8kHz到130kHz的頻率范圍內(nèi).翻轉(zhuǎn)溫度可以從+15℃變化.C至+80度.大多數(shù)情況下.nt切割的溫度系數(shù)約為-0.036ppm/EC.XY條在3kHz至85kHz范圍內(nèi)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(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用程序可能是這次削減的最大用戶.XY條的溫度系數(shù)為-0.033pm/EC.對(duì)于低頻晶體,高頻晶體(at,BT和SC)參考溫度下的校準(zhǔn)頻率在+/-10ppm以內(nèi),在幾Hz以內(nèi),這被認(rèn)為是一個(gè)嚴(yán)格的公差,但是具有合理的產(chǎn)量.必須限制應(yīng)用程序中的驅(qū)動(dòng)器級(jí)別,以防止異常老化或損壞.對(duì)于高頻晶體,該驅(qū)動(dòng)電平可能需要限制在1mW,對(duì)于一些低頻晶體,該驅(qū)動(dòng)電平可能需要低至0.1mW.老化也會(huì)受到安裝,石英缺陷以及高溫下長(zhǎng)時(shí)間的影響.

陶瓷諧振器通常用于精度較低的應(yīng)用.這些設(shè)備的初始精度(校準(zhǔn))范圍從0.05%到1.0%.陶瓷諧振器的溫度穩(wěn)定性約為15ppm/EC.老化在0.5%/10年的范圍內(nèi).這些器件的Q值比石英晶體低得多,而且似乎更容易出現(xiàn)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(fā)區(qū)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(shè)定(見圖8).

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(nèi).對(duì)于鉭酸鋰,石英的近似溫度常數(shù)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?yàn)锳T變得更加實(shí)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(xì)考慮坯料的質(zhì)量以及應(yīng)用的機(jī)械沖擊和振動(dòng).如果安裝太硬,坯料會(huì)更容易斷裂.如果底座對(duì)于坯料的質(zhì)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(guī)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?yàn)槿绱?制造商已經(jīng)開發(fā)了許多方法來安裝這些基本上為矩形的晶體.由于它們質(zhì)量較低,體積較小,機(jī)械沖擊和振動(dòng)并不像傳統(tǒng)高頻晶體那樣重要.

低頻切割不是具有相對(duì)穩(wěn)定的邊緣,而是具有相對(duì)靜止的節(jié)點(diǎn).這些節(jié)點(diǎn)用于機(jī)電連接.根據(jù)振動(dòng)模式,兩邊各有一個(gè)或兩個(gè)節(jié)點(diǎn).細(xì)線連接到這些節(jié)點(diǎn)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(xì)線懸掛著.由于這一點(diǎn)以及這些非常大的晶體的質(zhì)量,很明顯大多數(shù)低頻晶體的機(jī)械沖擊和振動(dòng)不會(huì)像高頻晶體那樣高.

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