压电谐振器可以控制振荡器频率的发现创造了晶振单元市场,最初主要由业余无线电操作员组成.随着水晶控制的好处越来越受到重视,商业广播电台改造了他们的设备,市场迅速扩大.在晶体单元制造的最初几年,几乎所有商业单元都是使用四边形板制造的,因为这种板的成形相对容易.
频率和运动参数的温度依赖性
到目前为止,我们只考虑了四边形板与圆形板在+25℃特定温度下的性能.晶体的弹性常数随着温度的变化而变化,从而产生新的频率响应.这些不仅影响厚度剪切响应,还影响任何其他激励振动.正如厚度剪切将以其基频的奇整数倍激发一样,其他振动模式也是如此.典型地,在"其它"模式中由温度引起的频率偏移相当大,大约为百万分之几百/每摄氏度.因此,干扰主模式响应的耦合模式可以是面剪切或其它一些响应的第n谐波.
如上所述,耦合模式很容易在四边形板中诱发.虽然这些响应的幅度通常被抑制到足以避免严重扰动,但是任何耦合模式的存在都会扰动基本响应,即使只是轻微扰动.此外,使用四边形板根本无法满足特定温度范围内频率偏差的某些要求.如果应用要求频率纯度或特定温度范围内的精确频率偏差,则必须仔细评估四边形板的使用.
运动参数的比较
石英晶振的操作经常用熟悉的"等效电路"来解释,如图3.0所示.
所讨论的晶体假定以特定的频率和泛音级振动,并且没有耦合模式.标有"C0"的电容是真实电容,包括电极之间的电容和与安装结构相关的杂散电容;它也被称为"分流"或"静态"电容,代表处于非工作状态或静态的晶体.其他组件代表处于工作或运动状态的晶体:"L1","C1"和"R1"分别标识"运动电感","运动电容"和"运动电阻".运动电感代表石英板的振动质量,而运动电容代表板的弹性或刚度.运动阻力,通常简称为"阻力",代表由于振动板内部摩擦造成的体积损失,以及安装点应力造成的损失.
如等效电路所示,工作贴片晶振的频率可通过以下公式得出:
其中L1是以mH为单位的运动电感,C1是以pF为单位的运动电容,f是以MHz为单位的频率.
运动电感和运动电容相互依赖—如果频率保持不变,一个值的变化会导致另一个值的变化.两者中的任何一个变化几乎总是导致阻力的变化,尽管这不是一个硬性的规则.
当处理平板时,电极面积必须改变,以便改变运动电容和电感的值.如果电极面积增加,静态电容和运动电容都增加,运动电感减小,通常电阻减小.运动电容的增加导致可拉性增加和晶体不太稳定.相反,如果电极面积减小,静态和动态电容都减小,动态电感增加,电阻(通常)增加,即使只是轻微增加.运动电感的增加导致可拉性降低,从而获得更稳定的晶振.
常规晶体单元(例如封装在HC-49/U支架中的晶体单元)通常使用装有圆形电极的圆形石英谐振板.使用真空下的金属沉积将电极施加到石英板的表面.通过使用覆盖除待电极区域之外的所有板的掩模来确保正确放置.面罩通常由三个部分组成:一个中心部分和上下部分,中间部分有板的嵌套,上下部分为电极提供孔.当制作这种掩模时,很容易改变决定电极尺寸的孔径;因此,多种电极尺寸可以应用于特定直径的共振板.如上所述,电极区域的大小决定了晶体的运动参数,因此可以指定这些参数以使器件适合特定应用.
例如,对于需要具有高可拉性的压电石英晶体的应用,很容易应用导致这种谐振器的电极.相反,如果要避免可拉性,可以很容易地设计出避免这种情况的电极.如果应用所需的电极与共振板一样大或者甚至更大,人们通常可以在指定的支架中使用稍微大一点的板.
虽然理论上有可能将相同的设计和制造技术应用于条形谐振器,但这样做实际上要少得多.四边形谐振器被大量制造以满足高需求;标准化对于高效的生产力至关重要.四边形电极沉积中使用的四边形掩模很难制造,因此晶振厂家制造商不太可能愿意在很大程度上定制它们.
此外,定制的程度受到四边形板的限制:由支架/包装放置在板尺寸上的板,以及避免耦合模式所必需的板.电极和电极区域尺寸的限制反过来又限制了分流和运动电容以及运动电感的值范围,并最终影响电阻值.
根据应用的不同,这些限制可能并不重要.在许多情况下,四边形板的运动参数值与传统的圆形晶体单元相比相当有利.表1比较了装在熟悉的福克斯电子公司HC49U支架中的圆形谐振器和装在FOX Crystal公司HC49S中的"条形"谐振器在20.000兆赫频率下的参数.
必须记住,这两个部件都是批量生产的,面向微处理器的大众市场;然而,这种部件通常用于要求更高的应用中.存在一些显著差异;特别有趣的是,在HC49S("条形"谐振器)中观察到的增加的运动电感足以抵消增加的电阻,并导致比HC49U更高的"Q"值.
"AT-cut"谐振器与"BT-cut"谐振器的比较
因为在石英石中,AT切割和BT切割是以不同的角度进行的,所以它们的操作特性不同.最明显的区别是,在给定的频率下,BT板的厚度大约是at板的1.5倍.在上面的例子中,为了产生工作在20.000兆赫的晶体,at板的厚度约为0.083毫米,而BT板的厚度约为0.128毫米.因此,可以使用BT切割板制造具有更高基模频率的晶体.如果板厚被任意限制,例如限制在0.05毫米,则自动变速器切割板将以33.200兆赫石英晶体振荡器,而英国变速器切割板将以51.200兆赫振荡
另一个显著的操作差异是,自动变速器表现出频率随温度变化的立方变化,而变速器表现出频率随温度变化的抛物线变化.在足够宽的温度范围内,自动变速器切割板将显示三个点,在这三个点上,频率与温度的变化为零或接近于零;赌城风云
BT将只显示一个(通常是室温).因此,在通常的商业温度范围内,自动变速器能够保持比英国变速器更严格的频率偏差.
在给定频率下,在自动变速器和自动变速器之间也观察到运动参数值的微小差异;然而,这些通常在操作上并不重要.
结论
我们已经表明,在传统的圆形晶振单元和表面贴装(即,"条形"谐振器)器件之间,运动参数值存在潜在的显著差异.四边形板的设计和制造受到支持"虚假"频率响应和耦合模式的趋势的严重限制,使得它们很难针对特定应用进行定制.当板必须在宽温度范围内符合严格的操作特性时,这些困难尤其明显.
在任何情况下,这种讨论都不应妨碍四边形板的使用;他们基于大规模生产的经济,使他们成为许多应用的有吸引力的替代产品.然而,应该强调的是,用四边形谐振器简单地替换传统的谐振器是非常谨慎的,即使两者工作在相同的频率.通常对晶体单元初始选择的详细评估应适用于谐振器配置的任何变化.
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