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Cardinal晶体操作原理

来源:http://www.konuaer.net 作者:康华尔电子 2019年02月23
        美国有一家Cardinal Components公司,是专门做石英水晶组件产品的,成立于1986年,主要生产石英晶体谐振器,晶体振荡器,OCXO振荡器,TCXO振荡器,VCXO振荡器,可编程振荡器等系列。这些电子元件的材料,来源于大自然的矿产资源,从采购天然水晶石英,到人工培植,节省了不少成本。Cardinal晶振公司利用水晶石英制成的石英晶体可以做到1.2*1.0mm这么小的体积,满足微小型设计的产品需求。
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        在自然界中,发现二氧化硅具有不同的形式,其中之一是石英。尽管14%的地球表面由二氧化硅组成,但很少发现具有合适尺寸和必要纯度的石英。结果,开发了培养的石英。在大型钢制高压釜中,在约400℃的温度和1,000Kgs/cm2的压力下,由热的饱和二氧化硅溶液实现培养的石英。通过在高压釜中种植的先前切割的种子来控制晶体的轴向生长。生长速度可达每天2.5毫米。为了获得纯晶体,优选受控的慢生长速率。当使用生长石英时,来自培养石英的石英晶体的产率高。
        最实用的石英晶体原料是结晶二氧化硅,SiO2。这是由于其机械和化学稳定性以及有利的压电常数。材料中的小摩擦损失保证了制造具有非常高品质因数的机电振荡器。
        通过将机械振动转换为特定频率的电流,石英晶体单元用作振荡器电路的控制元件。这是通过“压电”效应实现的。压电是由压力产生的电力。在压电材料中,沿一个轴施加机械压力将导致沿与第一轴成直角的轴产生电荷。在一些材料中,发现了正面压电效应,这意味着在轴的端部上施加电场将导致沿着与第一轴成直角的轴的机械偏转。石英在机械,电气和化学性质方面非常适合制造频率控制装置。多年来,已开发出在一定频率和温度范围内振荡的石英晶体单元。
       “串联”谐振晶体适用于振荡器反馈环路中不含无功元件的电路。“并联”谐振晶体适用于振荡器反馈环路中含有无功元件(通常为电容器)的电路。这种电路取决于电抗元件和晶体的组合,以实现在指定频率下启动和保持振荡所需的相移。
       温度系数与石英毛坯的频率稳定性有关,温度变化是石英,振动模式和切割类型的函数。频率-温度曲线针对高频AT晶体进行推广,称为在指定温度范围(以°C为单位)的频率偏差(以PPM为单位),曲线族可用于定义围绕该频率的最大允许偏差(以分钟为单位)。切割空白的中心。
       在各种元件中,“AT”切割已成为最受欢迎的,因为它可以在相对高的频率下使用,表现出优异的频率与温度稳定性,并且以合理的成本广泛地获得。
       在指定“AT”切割晶体单元时,Fundamentalvs.Overtone主要受到关注。随着谐振器板的厚度减小,这些单元的频率增加。在某些时候,通常大约30MHz,板变得太薄而不能进行有效处理。由于“AT”将在基频的奇数倍数处谐振,因此在对更高频率的SMD晶振进行排序时,必须指定所需的泛音顺序。驱动电平是晶体消耗的功率。驱动电平通常以微瓦或毫瓦为单位,典型值为100微瓦。
       可拉性是指晶体单元的频率变化,从自然谐振频率(FR)到负载谐振频率(FL),或从一个负载谐振频率到另一个负载谐振频率。给定晶体单元在给定负载电容值下表现出的可牵引力是并联电容(C0)和晶体单元的运动电容(C1)的函数。石英晶体的等效电路可用于解释水晶的性能。
                                                     SYJTYL1.jpg
       C0是晶体的分流或静电电容。该参数等于从引脚到引脚测量的电容之和,包括电极和安装结构.L1,C1和R1是晶体的运动臂.L1,运动电感,由运动中石英的机械质量决定。汤普森公式涉及L1和C1规范。
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        C1是晶体的运动电容。该参数由石英的刚度(常数),电极的面积以及石英晶片的厚度和形状决定.R1代表晶体的等效串联电阻(ESR)。它是振动过程中机械损失的函数。低阻力表明机械损失很小。电阻越低,石英晶振越容易振荡。
晶体规格的三个主要组成部分是:
        1、在室温下校准
        2、在整个温度范围内的稳定性
        3、老化
        室温校准是对+25°C频率精度的测量。通过改变电极的质量,将石英晶体频率调节在规定的公差范围内。较低的频率对质量变化不太敏感,因此更容易保持更严格的公差。容差和稳定性以百万分率(ppm)来衡量。
        切割石英棒的角度决定了温度范围内的稳定性。非常受欢迎的剪裁是“AT”剪裁。切割精度决定了ppm在温度范围内的变化有多紧。老化定义为频率随时间的变化。影响此规范的因素有 两个:污染和压力。请参阅有关老化的部分。
        负载容量是在石英水晶谐振器端子上测量或计算的总电路的动态容量。在并联电路中,应选择负载容量以在晶体电抗曲线上的稳定点处操作晶体(尽可能接近fr)。
                                                   SYJTYL3.jpg
        下面是振荡器电路的一个例子,其中预期晶体以并联模式运行。如果将串联晶体放入该电路中,则频率将高达约0.02%。
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以皮法(pF)指定的负载电容(CL)可通过以下公式计算:
SYJTYL5.jpg
        Cstray包括C1和C2引脚上的振荡器级的引脚到引脚,输入和输出电容以及任何其他寄生效应。通常假设Cstray等于5pF。如果C1和C2各等于22pF,则CL=16pF。
        如果振荡器级配置为晶体的相移精确等于0°或360°的倍数,则晶体将以串联谐振(fr)工作。晶体的负载能力必须指定为“串联谐振”。晶体单元的品质因数(Q)值是单位相对质量或振荡效率的度量。
        水晶振子单元的最大可达到的稳定性取决于“Q”值。串联和并联频率之间的分离称为带宽。带宽越小,“Q”值越高,电抗斜率越陡。外部电路元件的电抗变化对高“Q”晶体的影响较小(“可拉性”较小);因此这样的部分更稳定。
        对于设计为并联或反谐振工作的晶体单元,等效电阻是指在额定驱动电平调整并调整到规定值的指定晶体阻抗表中工作时,单位和规定负载值的串联负载电容的等效欧姆电阻。晶体单位频率。
        用于晶体的美国军用规格(MIL-C-3098)定义了等效电阻,如下所示:对于设计为串联谐振的晶体单元,等效电阻是在指定的晶体阻抗表中工作的单位的等效欧姆电阻。额定驱动电平并调谐到指定的晶振单位频率。
        工作驱动电平是晶体内部消耗的功率。仔细确定和选择与可靠启动一致的驱动电平以及振荡时晶体所需的性能非常重要。如果驱动电平太低(通常小于100微瓦),则可能不会开始振荡。但是,驱动电平过高(通常大于1毫瓦)会导致频率偏移,长期频率老化不良以及工作温度范围内的频率扰动。老龄化是用来描述渐进的一般术语。
•fs=系列谐振频率=YLGS.1.jpg
•fa=反共振频率=YLGS.2.jpg
•ΔF=频率变化=YLGS.3.jpg
•C1=运动电容=YLGS.4.jpg
•L1=运动电感=YLGS.5.jpg
•R1=串联谐振电阻
•r=电容比=YLGS.6.jpg
•Q=品质因数=YLGS.7.jpg
•Ra=反共振电阻
•C0=晶体分流电容
•CL=负载电容
        所有Cardinal石英晶体都有多种振动模式。如果响应与主模式一样强,则寄生模式指的是不需要的模式。如果振荡器在主轴上运行而不是主模式,则频率输出会发生变化。应将杂散模式指定为与主电阻的电阻比模式或dB抑制。电阻比为1.5或2.0比1足以避免跳模。-3dB至-6dB是以dB为单位的近似等效规范。
                              SYJTYL6.jpg
        随着时间的推移,晶体单元的工作特性恶化。许多因素导致这种恶化,例如内部污染,过度驱动水平,电线疲劳,摩擦磨损和晶体坯料的表面腐蚀。制造过程和石英坯料的清洁度大大减少了污染造成的老化。最快的老化发生在第一年。如果贴片石英晶振的老化速率必须低,则晶体可以通过温度循环或高温老化延长一段时间进行预老化。

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