NEL CRYSTAL是开发和制造前沿频率控制产品的技术先进者,客户选择NEL晶振集团为需要具有挑战性能规格的石英晶体振荡器的应用提供最佳解决方案,例超低相位噪声,低功耗和高频能力,提供了在各地范围内与其多样化贴片晶振,石英晶体产品组合竞争所需的灵活性.NEL是一家通过ISO 9001-2008认证的公司,凭借其产品在可靠性高的方面享有盛誉.康比电子晶振厂家该篇文章介绍NEL晶振及滤波器操作理论
石英晶体和振荡器等频率控制设备非常脆弱.这些设备应该比电子工业中使用的大多数其他组件小心得多,尽管包装看起来非常坚固.频率控制装置通常是压电装置,本质上是机电的.这些设备的机械考虑(如振动,冲击和处理)与电气考虑同样重要.从微处理器定时到无线电台传输,各种应用都需要频率控制.谐振器和滤波器通常是分立的压电器件.振荡器包括谐振器以及有源晶振和几个分立元件,以产生独立的频率控制器件.
谐振器和滤波器
谐振器和滤波器利用各种材料的压电特性.压电这个词的意思是"压力-电".因此,这些设备本质上是机电的.一些可以使用的材料是罗谢尔盐,电气石,陶瓷和二氧化硅.其中,陶瓷和二氧化硅(石英)几乎全部使用.
操作理论
单片石英晶体通常用于两极滤波器.这些器件通常被"AT"切割,除了特性高度依赖于电极配置之外,工作原理类似于谐振器.石英晶体谐振器和分立晶体滤波器中使用的晶体具有如图1所示的等效电路.
图1
运动电容C1和运动电感L1通过等式fs=1/(2π((L1*C1))定义了设备的串联谐振.这是运动电容阻抗的大小等于运动电感阻抗的点,因此它们抵消了.在许多情况下,可以通过找到最小阻抗点来近似串联谐振点(该串联谐振点也接近零相移点),对于这些情况,该最小阻抗将近似为运动电阻(R1).
串联谐振晶体通常用于晶体滤波器和谐振器电路中,它们不需要从晶振相移来振荡.这种振荡器电路中晶体的有效电阻大约等于运动电阻R1.在这种情况下,工作频率是晶体的串联谐振频率.
并联电容Co(电极电容ce和保持电容Ch的总和)在使用串联谐振以上的频率时变得很重要.
在该区域,运动电感阻抗增加,而运动电容阻抗减小,导致主导电感阻抗.当运动电感阻抗等于并联电容阻抗时,实现了反谐振点.打算在串联谐振和反谐振点之间工作的晶体被称为”并联谐振晶体”.这些晶体由它们要工作的负载电容(CL)指定.并联谐振晶体的等效串联电阻(指定负载电容下的等效电阻)可以通过ESR=R1*((1+Co/CL)来计算.频率从串联到并联谐振点的偏移由f=(C1/2)*(1/(CL+Co))给出.f*10将以ppm为单位给出答案.频率从一个并联谐振点到另一个谐振点的偏移由f=(C1/2)*((CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co))给出.同样,f*10将以ppm为单位给出答案.还要注意,在所有上述等式中,所有电容必须以相同的单位表示(即pf).尽管可以在另一个应用中操作一种晶体,但重要的是要注意,通过原始校准加上上述计算的偏移,校准将会停止.此外,温度漂移从一个CL到另一个CL不同,因此不再针对应用进行优化.因此,多用途通用贴片晶振的想法是不可取的.
陶瓷谐振器类似于石英谐振器,由于通过陶瓷谐振器的高电阻路径,增加了分流电阻Ro.根据谐振器的定义,其它谐振器本质上与上述谐振器相似.谐振点将由等效电感/电容设置共振.
特征
许多不同的石英切割(与参考切割角度不同)已经被开发用于商业用途.AT,BT和SC切割都是厚度剪切振动模式(见图2).
图2
因此,这些切口通常切割成厚度与频率成反比的圆形薄圆盘.这些圆盘或坯料的每一侧都有电极,用来与晶体进行电连接.最低频率响应是晶体的基本模式.在这个基频的大约三倍,五倍,七倍,等等,也有响应.这些是第三泛音,第五泛音,第七泛音等.
2
AT切割是这些"高频"切割中最常用的.据估计,今天生产的90%以上的石英晶体都是at切割的.AT切割温度系数为三次曲线(见图3).
图3
曲线和转折点的具体形状可以通过切割角度的微小变化来调整.这种温度特性为压电石英晶体的广泛应用和温度范围提供了多样性.频率常数为1.661MHz-mm,对于小直径坯件,在基模上通常限制在大约40MHz.使用轮廓绘制技术,AT频率范围的低端约为500kHz,但取决于支架尺寸.AT切割中的虚假或不想要的响应通常是可预测的,并且可以使用能量捕获技术很好地控制.然而,伪余量可能需要与可拉性(频率随负载电容变化的量)等参数进行权衡.
BT切割具有2.536MHz-mm的频率常数,可以将at切割的频率范围之上的高频范围扩展到50MHz以上.BT切割不像AT切割那样被广泛接受,因为在大多数应用中它的温度特性较差.温度曲线是向下抛物线.翻转点可以随切割角度变化,曲线公式通常为f=-0.040*(To-Ta),其中To是翻转温度(EC),Ta是感兴趣的温度(EC),f是ppm.
SC(应力补偿)切割在设计上类似于AT切割,除了它是双旋转切割.这意味着它从石英棒上切下的角度围绕两个轴旋转,而不是仅仅从三个参考轴旋转一个.SC切割的频率常数为1.797MHz-mm.耦合模式通常比AT切割差,晶体电阻通常更高.在将设计从一种操作泛音转换到另一种操作泛音时,必须更加小心.出于适当的设计考虑,SC切割产生了一种频率随温度变化非常小的可用晶体(在25EC上大约+/-1ppm).范围).
3
石英晶体的CT和DT切割都是面剪切振动模式(见图4).
图4
这两个切口具有相似的特征.CT切割通常可以设计用于300kHz至900kHz范围内的频率,DT切割可以设计用于75kHz至800kHz范围内的频率.两个切口都有向下的抛物线频率-温度曲线.DT通常在频率允许的情况下是优选的,因为它的温度系数较低(大约-0.060ppm/EC).用于CT和-0.018ppm/EC.用于DT).石英晶体的GT切割是一种宽度延伸的振动模式.GT切割可以被设计用于大约100kHz到3.0MHz的频率.在-25EC的温度范围内,温度系数几乎为零.至+75E摄氏度,温度变化为15EC.在该平坦区域中点的两侧,频率变化不会超过0.1ppm.E(或5度).x切割)和石英晶体谐振器的MT切割都是纵向振动模式(见图5).
图5
E切割通常可以设计在50千赫到250千赫的范围内.E截止广泛用于低频晶体滤波器,因为它具有低的Co/C1比和合理的低温系数.在大多数情况下,周转温度可以从大约0摄氏度变化.到50摄氏度.MT切割通常可以设计在80kHz到200kHz范围内.E切割的温度系数约为-0.040ppm/EC,MT切割的温度系数约为-0.038ppm/EC.H,J,NT和XY切口都是振动的弯曲模式.H,XY和NT切割是长宽弯曲(见图6).
图6
图7
J板(切口)具有这些低频晶体的最低频率范围(1kHz至12kHz).J板实际上是两块粘合在一起的石英板.选择这两块板,使得对于所施加的给定电场,一块板的机械运动与另一块板异相.这产生非常低的频率.H板(切口)可以设计在大约8kHz到130kHz的频率范围内.H板晶体广泛用于宽带滤波器(通常低于E截止频率范围).温度系数是线性的,从大约[-8×10^-6/EC到-16×10^-6/EC变化.NT切割可以设计在大约8kHz到130kHz的频率范围内.翻转温度可以从+15℃变化.C至+80度.大多数情况下.nt切割的温度系数约为-0.036ppm/EC.XY条在3kHz至85kHz范围内很受欢迎.还有32.768K,它的体积比许多其他低频切口小,阻抗低,Co/C1比率低,因此非常受欢迎.实时时钟应用程序可能是这次削减的最大用户.XY条的温度系数为-0.033pm/EC.对于低频晶体,高频晶体(at,BT和SC)参考温度下的校准频率在+/-10ppm以内,在几Hz以内,这被认为是一个严格的公差,但是具有合理的产量.必须限制应用程序中的驱动器级别,以防止异常老化或损坏.对于高频晶体,该驱动电平可能需要限制在1mW,对于一些低频晶体,该驱动电平可能需要低至0.1mW.老化也会受到安装,石英缺陷以及高温下长时间的影响.
陶瓷谐振器通常用于精度较低的应用.这些设备的初始精度(校准)范围从0.05%到1.0%.陶瓷谐振器的温度稳定性约为15ppm/EC.老化在0.5%/10年的范围内.这些器件的Q值比石英晶体低得多,而且似乎更容易出现虚假的工作模式.
SAW(表面声波)装置通常用在BAW(体声波)晶体的频率范围之上,例如at切割.前面讨论的所有晶振都是BAW晶体,因此大部分石英都涉及激发区域.SAW仅涉及所用衬底的表面.频率由电极"手指"之间的距离设定(见图8).
5
图8
石英,钽酸锂和铌酸锂是这类器件的常见衬底.初始精度取决于"手指"打印的精度.初始精度可在50至200ppm范围内.对于钽酸锂,石英的近似温度常数为0.03ppm/EC和-20ppm/EC.目前可获得3.5GHz的高频.低端主要受尺寸限制,因为AT变得更加实用.
建筑
高频切口(AT,BT和SC切口)通常使用安装在支架立柱上的弹簧或通道安装在边缘上.必须仔细考虑坯料的质量以及应用的机械冲击和振动.如果安装太硬,坯料会更容易断裂.如果底座对于坯料的质量来说有太多的"给予",坯料将撞击支架并断裂.带状谐振器通常被AT切割,与用于更常规的高频晶体的盘相比,带状谐振器被用于小得多的封装中.正因为如此,制造商已经开发了许多方法来安装这些基本上为矩形的晶体.由于它们质量较低,体积较小,机械冲击和振动并不像传统高频晶体那样重要.
低频切割不是具有相对稳定的边缘,而是具有相对静止的节点.这些节点用于机电连接.根据振动模式,两边各有一个或两个节点.细线连接到这些节点上,然后另一端连接到包装的柱子上.这意味着这些石英晶体振荡器被两到四根细线悬挂着.由于这一点以及这些非常大的晶体的质量,很明显大多数低频晶体的机械冲击和振动不会像高频晶体那样高.
微信号
公众号
