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石英晶体振荡电路石英晶体谐振器,简称石英晶体,具有特别稳定的固有频率对于振荡频率的稳定性要求高的电路,应选用石英晶体作选频网络
一、石英晶体的特点将二氧化硅SiO2结晶体按肯定的方向切割成很薄的晶片,再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层,回并作为两个极引出管脚,加以封装,就构成石英晶体谐振器其结构示意图和符号如右图所示.压电效应和压电振荡在石英晶体两个管脚加交变电场时,它将会产有利于肯定频率的机械变形而这种机械振动又会产生交变电场,上述物理现象称为压电效应一般状况下无论是机械振动的振幅,还是交变电场的振幅都特别小但是,当交变电场的频率为某一特定值时,振幅突然增大,产生共振,称之为压电振荡这一特定频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率.石英晶体的等效电路和振荡频率石英晶体的等效电路如下图a所示当石英晶体不振动时,可等效为一个平板电容Q称为静态电容;其值打算于晶片的几何尺寸和电极面积,一般约为儿到儿十皮法当晶片产生振动时,机械振动的惯性等效为电感L其值为儿毫亨晶片的弹性等效为电容C其值仅为
0.01到
0.IpF因此,C«C
0.晶片的磨擦损耗等效为电阻用其值约为100Q抱负状况下庐0当等效电路中的L、C、支路产生串联谐振时,该支路呈纯阻性,等效电阻为用谐振频率谐振频率下整个网络的电抗等于尸并联己的容抗,因底故可近似认为石英晶体也呈纯阻性,等效电阻为凡当代工时.,c和电抗较大,起主导作用,石英晶体呈容性当工时,l、c、〃支路呈感性,将与c产生并联谐振,石英晶体乂呈纯阻性,谐振频率由于所以心右心当力时,电抗主要打算于或石英晶体又呈容性因此,石英晶体电抗的频率特性如上图所示,只有在£//;的状况下,石英晶体才呈现感性;并且C和C的容量相差愈悬殊,£和£愈接近,石英晶体呈感性的频带愈狭依据品质因数的表达式由于和斤的数值都很小,£数值很大所以Q值高达IO,频率稳定度可达10510\采纳稳频措施后可达10队10而振荡器的Q值只能达到几百,频率稳定度只能达到IO%
二、石英晶体正弦波振荡电路.并联型石英晶体正弦波振荡电路假如用石英晶体取代LC振荡电路中的电感,就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路,如左下图所示,电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率.串联型石英晶体振荡电路如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路电容仪为旁路电容,对沟通信号可视为短路电路的第一级为共基放大电路,其次级为共集放大电路若断开反馈,给放大电路加输入电压是,极性上“+”下;则「管集电极动态电位为“+”,丁2管的放射极动态电位也为“+”只有在石英晶体呈纯阻性,即产生串联谐振时,反馈电压才与输入电压同相,电路才满意正弦波振荡的相位平衡条件所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率£调整兄的阻值,可使电路满意正弦波振荡的幅值平衡条件石英晶体基础学问
1、石英晶体的应用a、石英钟b、温度计c、压力指示器(频率与应力)d、加速度计
2、晶体的自然面及解理面平行于原子面
3、石英的机械、电气、化学和温度等综合性能,都满意需要电气通讯领域
4、石英生长愈慢、质量愈佳
5、大部分高质量石英晶体产自巴西
6、结晶缺陷a、晶格空位b、填隙原子c、夹杂原子d、生长位错
7、BT切比AT切片厚50%
8、现在通讯系统需要较宽温度范围,频率偏移要小
9、典型晶体元件指标a、工作频率50MHzb、温度范围-55〜+15℃c、频率漂移±50ppm
1、自然石英与培育石英之间差别a、杂质原子b、填隙原子c、晶格空位
11、石英晶体的培育居里温度点573℃贝他石英结构六角形573℃a石英结构三角形
12、高压釜典型尺寸长为3〜5米;直径半米或半米以上;壁厚10〜15cm;温度约350℃;压力约140大气压
13、石英压电晶体作用对电气通讯中的载波记号频率进行掌握和管理
14、石英元件实现了压电振子的机械谐振频率同电路之间的耦合机电换能器
15、压电理论石英的机械特性与电路是通过压效应来实现耦合的石英晶体元件在振荡器电路中的功能是划分出等时间间隔,稳定振荡频率一维振动只要起掌握作用的那一维尺寸比其他维尺寸大得多或小得多,那么振动就能够被看成是近似一维的活动性下降在压电振子的温度转变时,间或会有一种模的频率与振荡器频率重合,所产生的额外能耗削减了振荡(活动性)的幅度这种现象称为活动性下降当频率远离谐振频率时,石英片等效于简洁的平行板电容器
16、为了得到最大的稳定性,晶体元件应工作于最低振幅,即最低的激励电平
17、AT和BT切石英晶体元件的主模频率取决于片子厚度,而大部分寄生模的频率则取决于侧面尺寸
18、假如非活动带的宽度大于片子厚度20倍或20倍以上,它也可以成为支撑片的非活动区
19、减小石英片表面的曲率半径,非谐波泛音模的频率就会向高处移动,而且泛音频谱也会变得更为疏散2()、修外形对参数的影响修整的不多由于支架引起的阻尼损耗就会有所削减,而且由于寄生模与主模分开了,等效电阻值就会下降连续修下去R值又会上升,由于振动面积缩小了L上升而C下降r=c0/c也会受影响大而薄的AF片子1•理论值为154测量值总是大于154通过认真调整与外形有关的电极区尺寸可以获得r值低达190o
21、影响谐振器频率稳定性因素a、使用的原材料不当b、石英晶片表面层加工不良c、表层污染d、蒸发的银膜层附着性差
22、石英谐振器的失效模式a、开路(支架脱落、脱锡)b、短路(外壳封装系统机械损伤)c、频率稳定性差(石英晶片表面清洁处理不良,银膜层附着不牢以及晶片表面加工不佳)
23、石英谐振器可等效成一个R、L、C组成的等效电路(在谐振频率四周),这些等效参数与许多因素有关,其中电极面积大小即为因素之一不连续银膜层使石英晶片电极的有效面积减小,从而影响频率稳定性
24、石英晶片表面的缺陷:腐蚀时间、温度以及腐蚀液的浓度掌握不严,将使石英晶片腐蚀强度过大,造成石英晶片表面粗糙度大,裂纹多等缺陷
25、银膜表面斑痕是制造工艺中使用的水纯度低所致,通过提高水的纯度,提高了石英晶片的合格率
26、石英晶片表面的粗糙度对银膜有很大影响,为了保证银膜层的连续性,肯定要严格掌握腐蚀工艺石英晶体是由水热法生长的一种功能材料,有优良的压电性能和光学性能物理、化学性能稳定,具有左右旋结构特征,在
0.15〜4口田的范围内,有较好的透过率性能指标品质因素>
2.4X106包裹体I级,la级腐蚀隧道密度<200/cm2密度
2.65g/cm3熔点1713℃莫氏硬度7杨氏模量
97.2GPa(//Z)
76.5Gpa(±Z)应用范围可用作棱镜、滤光片、偏振片、波片、旋光片等,可制成各种体波和声表面波振荡器、谐振器和滤波器石英晶体谐振器基础学问我|至我|至我|至电石英晶体谐振器基础学问⑴石英晶体谐振器(简称晶振)的结构石英晶体谐振器是采用石英晶体(二氧化矽的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件它的基本构成大致是从一块石英晶体上按肯定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的⑵压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生气械变形反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应假如在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生气械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场在一般状况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅特别微小,但当外加交变电压的频率为某•特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象特别相像它的谐振频率与晶片的切割方式、几何外形、尺寸等有关3符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个pF到几十pF当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L来等效一般L的值为几十mH到几百mH晶片的弹性可用电容C来等效,C的值很小,一般只有
0.0002〜
0.IpF晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效,它的数值约为100Q由于晶片的等效电感很大而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000〜10000加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何外形、尺寸有关,而且可以做得精确,因此采用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性4谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即a、当L、C、R支路发生串联谐振时,它的等效阻抗最小等于R串联谐振频率用£表示,石英晶体对于串联谐振频率/;呈纯阻性b、当频率高于£时人C、R支路呈感性,可与电容C发生并联谐振,其并联频率用力表示依据石英晶体的等效电路,可定性画出它的频率特性曲线图所示可见当频率低于串联谐振频率£或者频率高于并联谐振频率时,石英晶体呈电容性仅在£.极窄的范围内,石英晶体呈电感性晶体符号等效电路频率特性曲线图石英晶体谐振器外形图片石英晶体谐振器的分类及特点石英晶体谐振器是由品质因素极高的石英晶体振子即谐振器和振荡电路组成晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等,共同打算谐振器的性能国际电工委员会IEC将石英晶体谐振器分为4类一般晶体振荡TCX0电压掌握式晶体谐振器VCX0温度补偿式晶体振荡TCX0恒温掌握式晶体振荡OCXO目前进展中的还有数字补偿式晶体损振荡DCXO等1一般晶体谐振器SPXO可产生108〜10/量级的频率精度,标准频率—100MHZ频率稳定度是±100ppmSPX0没有采纳任何温度频率补偿措施,价格低廉,通常用作微处理器的时钟器件封装尺寸范围从21X14X6mm及5X
3.2X
1.5mmo⑵电压掌握式晶体谐振器VCXO的精度是10一6〜10一$量级,频率范围r30MHzo低容差谐振器的频率稳定度是±50ppm通常用于锁相环路封装尺寸MX10X3mnio⑶温度补偿式晶体谐振器TCXO采纳温度敏感器件进行温度频率补偿,频率精度达到10“〜10量级,频率范围1—60MHz频率稳定度为±1〜±
2.5ppm封装尺寸从30X30X15mm至
11.4X
9.6X
3.9mmo通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设施等4恒温掌握式晶体谐振器0CX0将晶体和振荡电路置于恒温箱中,以消退环境温度变化对频率的影响OCXO频率精度是10」〜ICT量级,对某些特别应用甚至达到更高频率稳定性在四种类型谐振器中最高石英晶体谐振器的主要参数晶振的主要参数有标称频率,负载电容、频率精度、频率稳定度等不同的晶振标称频率不同,标称频率大都标明在晶振外壳上如常用一般晶振标称频率有48kHz、500kHz、
503.5kHz、1MHz〜
40.50MHz等对于特别要求的晶振频率可达到1000MHz以上,也有不具标称频率的,如CRB、ZTB、Ja等系列负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部全部有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容负载频率不同打算谐振器的振荡频率不同标称频率相同的晶振,负载电容不肯定相同由于石英晶体谐振器有两个谐振频率,一个是串联谐振晶振的低负载电容晶振另一个为并联谐振晶振的高负载电容晶振所以,标称频率相同的晶振互换时还必需要求负载电容全都,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常频率精度和频率稳定由于一般晶振的性能基本性能达到一般电器的要求,对于高档设施还需要有肯定的频率精度和频率稳定性频率精度从量级到量级不等稳定度从±1到±100ppm不等这要依据详细的设施需要而选择合适的晶振,如通信网络,无线资料传输等系统就需要更高要求的石英晶体谐振器因此,晶振的参数打算了晶振的品质和性能在实际应用中要依据详细要求选择适当的晶振,因不同性能的晶振其价格不同,要求越高价格也越贵,一般选择只要满意要求即可压电石英晶体压电石英晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料,用于制造选择和掌握频率的电子元器件,广泛应用于电子信息产业各领域,如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等,尤其在高性能电子设施及数字化设施中应用日益扩大工厂所属水晶分厂在压电晶体生产技术和管理上均具国内领先水平是国内唯一能批量生产腐蚀隧道密度在100条/cm2以下压电晶体的生产厂家低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料压电晶体产品品种主要有Z棒、Y棒、厚度片、频率片石英晶体的压电效应1石英晶体的坐标轴选取石英晶体的坐标轴选取某些晶体,当沿着肯定方向受到外力作用时,内部会产生极化现象,同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷当外力去掉后,又恢复到不带电状态;当作用力方向转变时,电荷的极性也随着转变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比这种现象叫压电效应反之,如对晶体施加电场,晶体将在肯定方向上产生气械变形;当外加电场撤去后,该变形也随之消逝这种现象称为逆压电效应,也称作电致伸缩效应2石英晶体的压电特性离子位置图压电晶体分类依据晶振的功能和实现技术的不同,可以将晶振分为以下四类1恒温晶体振荡器以下简称OCXO这类型晶振对温度稳定性的解决方案采纳了恒温槽技术,将晶体置于恒温槽内,通过设置恒温工作点,使槽体保持恒温状态,在肯定范围内不受外界温度影响,达到稳定输出频率的效果这类晶振主要用于各种类型的通信设施,包括交换机、SDH传输设施、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设施等领域依据用户需要,该类型晶振可以带压控引脚OCXO的工作原理如下图3所示图3恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主要优点是,由于采纳了恒温槽技术,频率温度特性在全部类型晶振中是最好的,由于电路设计精密,其短稳和相位噪声都较好主要缺点是功耗大、体积大,需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等2温度补偿晶体振荡器以下简称TCXO其对温度稳定性的解决方案采纳了一些温度补偿手段,主要原理是通过感应环境温度,将温度信息做适当变换后掌握晶振的输出频率,达到稳定输出频率的效果传统的TCXO是采纳模拟器件进行补偿,随着补偿技术的进展,许多数字化补偿大TCXO开头消失,这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO用单片机进行补偿时我们称之为MCXO由于采纳了数字化技术,这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度,并且能够适应更宽的工作温度范围,主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合在广阔研发人员的共同努力下,我公司自主开发出了高精度的MCXO其设计原理和在世界范围都是领先的,配以高度自动化的生产测试系统,其月产可以达到5000只,其设计原理如图4o图4MCXO数字温补晶振原理框图3一般晶体振荡器SPXO这是一种简洁的晶体振荡器,通常称为钟振,其工作原理为图3中去除“压控温度补偿”和“AGC”部分完全是由晶体的自由振荡完成这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合4压控晶体振荡器VCXO这是依据晶振是否带压控功能来分类,带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO以上三种类型的晶振都可以带压控端口。