Quartz Crystal运作理论和切割方式特点

单片石英晶体谐振器通常用于双极滤波器.这些器件通常是’AT’截止的,并且操作理论类似于谐振器,除了特性高度依赖于电极配置.离散晶体滤波器中使用的晶体谐振器和晶体具有如图1所示的等效电路.

运动电容C1和运动电感L1通过等式fs=1/(2e((L1*C1)1/2))定义器件的串联谐振.这是运动电容阻抗的大小等于运动电感阻抗并因此它们抵消的点.在许多情况下,串联谐振点可以通过找到最小阻抗点(该串联谐振点也接近零相移点)来近似,并且该最小阻抗将近似为这些情况下的运动阻抗(R1).

串联谐振晶体通常用于晶体滤波器和晶振晶体电路中,它们不需要从晶体发生相移以振荡.在这种类型的振荡器电路中晶体的有效电阻近似等于运动电阻R1.在这种情况下的操作频率是晶体的串联谐振频率.并联电容Co(电极电容Ce和支架电容Ch之和)在处理串联谐振以上的频率时变得重要.

在该区域中,运动电感阻抗增加并且运动电容阻抗减小,导致主导电感阻抗.当运动电感阻抗等于并联电容阻抗时,实现反谐振点.旨在在串联谐振和反谐振点之间操作的晶体被称为’并联谐振晶体’.这些晶体由它们用于工作的负载电容(CL)指定.并联谐振晶体的等效串联电阻(在指定的负载电容下的等效电阻)可以通过ESR=R1*((1+Co/CL)²)来计算.频率从串联到并联谐振点的偏移由εf=(C1/2)*(1/(CL+Co))给出.ªf*106会以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εf=(C1/2)*((CL2-CL1)/((CL2+Co)*(CL1+Co)))给出.再次ªf*106将以ppm为单位给出答案.还要注意,在所有上述等式中,所有电容必须处于相同的单位(即pf).尽管可以在另一个应用中操作用于一种应用的石英贴片晶振,但重要的是要注意校准现在将通过原始校准加上上述计算的偏移来关闭.此外,温度漂移从一个CL变化到另一个CL,因此不再针对应用进行优化.出于这个原因,不建议使用通用晶体来实现多种应用.

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而增加了分流电阻Ro.通过谐振器的定义,其他谐振器在性质上与上述谐振器类似.谐振点将由等效电感/电容谐振设定.

特点

已经开发出许多不同的石英切口(从参考的不同切割角度)用于商业用途.AT,BT和SC切口都是厚度剪切振动模式(见图2).

因此,这些切口通常切成圆形薄盘,其厚度与频率成反比.这些圆盘或坯料在每一侧都放置有电极,用于与晶体进行电连接.最低频率响应是晶体的基本模式.这个基本频率,五次,七次等也有大约三倍的响应.这是第三次泛音,五次泛音,七次泛音等.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.AT切割温度系数是三次曲线(见图3)

曲线和翻转点的具体形状可以通过切割角度的微小变化来调整.这种温度特性为各种应用和温度范围提供了晶体多功能性.频率常数为1.661MHz-mm,对于小直径空白,基本模式通常限制在约40MHz.使用轮廓加工技术,AT频率范围的低端约为500kHz,但取决于支架尺寸.AT切割中的假或不需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,可能需要利用诸如可拉性(小体积贴片晶体频率随负载电容的变化而变化的量)之类的参数来消除杂散余量.

具有2.536MHz-mm的频率常数的BT切割可以将高于AT切割的频率范围扩展到超过50MHz.由于在大多数应用中其较差的温度特性,BT切割不像AT切割那样被广泛接受.温度曲线是向下的抛物线曲线.转换点可以随切割角度变化,曲线公式通常为f=-0.040*(To-Ta)²其中To是转换温度(EC),Ta是感兴趣的温度(EC),f是以ppm为单位.

SC(应力补偿)切割在设计上与AT切割类似,不同之处在于它是双旋转切割.这意味着从石英条切出的角度绕两个轴旋转,而不是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切割更差,并且晶体电阻通常更高.在将设计从一个泛音转换为另一个泛音时,必须更加谨慎.通过适当的设计考虑,SC切割产生可用的晶体,其频率随温度变化非常小(在±25EC范围内约为+/-1ppm).

SMD晶体的CT和DT切割都是面剪切振动模式(见图4).

这两个削减具有相似的特征.CT切割通常可以设计为300kHz至900kHz范围内的频率,DT切割范围为75kHz至800kHz.两个切口都具有向下的抛物线频率与温度曲线.在频率允许的情况下,DT通常是首选,因为它的温度系数较低(CT约为-0.060ppm/EC²,DT为-0.018ppm/EC²).石英晶体的GT切割是宽度-伸展的振动模式.GT切割可以设计用于从大约100kHz到3.0MHz的频率.在-25EC的温度范围内,温度系数几乎为零.至+75EC.温度变化为±15EC.在该平坦区域的中点的任一侧上,频率不会改变超过0.1ppm.E(或5度x切割)和石英晶体的MT切割都是纵向振动模式(见图5).

E切割通常可以设计在50kHz至250kHz范围内.E切口广泛用于低频SAW滤波器,因为它具有低Co/C1比和合理的低温度系数.在大多数情况下,周转温度可以从大约0EC变化.到50EC.MT切割通常可以设计在80kHz至200kHz范围内.对于MT切割,E切割的温度系数约为-0.040ppm/EC²和-0.038ppm/EC².H,J,NT和XY切口均为振动的弯曲模式.H,XY和NT切口是长宽弯曲(见图6).

J切口是长度厚度的弯曲(见图7).

J板(切割)具有这些低频晶振的最低频率范围(1kHz至12kHz).J板实际上是两个结合在一起的石英板.选择两个板,使得对于给定的电场,一个板的机械运动与另一个板的机械运动异相.这产生非常低的频率.H板(切割)可以设计在大约8kHz至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切割频率范围).温度系数是线性的并且从约[-8×10^-6/EC至-16×10^-6/EC]变化.NT切割可以设计在大约8kHz至130kHz的频率范围内.周转温度可在+15度之间变化.C至+80度C在大多数情况下.NT切割的温度系数约为-0.036ppm/EC².XY条在3kHz至85kHz范围内很受欢迎.它比许多其他低频切割尺寸小,阻抗低,Co/C1比低,因此非常受欢迎.实时时钟应用可能是此次切割的最大用户.XY条的温度系数为-0.033ppm/EC².校准,高频晶体(AT,BT和SC)的参考温度下的频率在+/-10ppm之内,对于32.768K低频晶体在几Hz内,被认为是严格的公差,但具有合理的产率.必须在应用中限制驱动水平,以防止异常老化或损坏.对于高频晶体,此驱动电平可能需要限制为1mW,对于某些低频晶体,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不太精确的应用.这些器件的初始精度(校准)范围为±0.05％至±1.0％.陶瓷谐振器的温度稳定性约为15ppm/EC.老化范围为±0.5％/10年.这些器件的Q值远低于石英晶体,并且似乎更容易出现虚假的工作模式.SAW(表面声波)器件通常用于高于BAW(体声波)晶体(例如AT切割)的频率范围.所有先前讨论的晶体都是BAW晶体,因此大部分石英涉及激发区域.SAW仅涉及所用基板的表面.频率由电极’手指’之间的距离设定(见图8).

石英,LiTaO3和LiNbO3是这种器件的常见衬底.初始精度取决于’手指’打印的准确性.初始精度可在±50至200ppm范围内.对于LiTaO3,石英的近似温度常数为0.03ppm/EC2和-20ppm/EC.目前可获得3.5GHz的高频.下端主要受尺寸限制,因为AT变得更实用.