壓電諧振器可以控制振蕩器頻率的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了晶振單元市場,最初主要由業(yè)余無線電操作員組成.隨著水晶控制的好處越來越受到重視,商業(yè)廣播電臺(tái)改造了他們的設(shè)備,市場迅速擴(kuò)大.在晶體單元制造的最初幾年,幾乎所有商業(yè)單元都是使用四邊形板制造的,因?yàn)檫@種板的成形相對(duì)容易.

頻率和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的溫度依賴性

到目前為止,我們只考慮了四邊形板與圓形板在+25℃特定溫度下的性能.晶體的彈性常數(shù)隨著溫度的變化而變化,從而產(chǎn)生新的頻率響應(yīng).這些不僅影響厚度剪切響應(yīng),還影響任何其他激勵(lì)振動(dòng).正如厚度剪切將以其基頻的奇整數(shù)倍激發(fā)一樣,其他振動(dòng)模式也是如此.典型地,在"其它"模式中由溫度引起的頻率偏移相當(dāng)大,大約為百萬分之幾百/每攝氏度.因此,干擾主模式響應(yīng)的耦合模式可以是面剪切或其它一些響應(yīng)的第n諧波.

如上所述,耦合模式很容易在四邊形板中誘發(fā).雖然這些響應(yīng)的幅度通常被抑制到足以避免嚴(yán)重?cái)_動(dòng),但是任何耦合模式的存在都會(huì)擾動(dòng)基本響應(yīng),即使只是輕微擾動(dòng).此外,使用四邊形板根本無法滿足特定溫度范圍內(nèi)頻率偏差的某些要求.如果應(yīng)用要求頻率純度或特定溫度范圍內(nèi)的精確頻率偏差,則必須仔細(xì)評(píng)估四邊形板的使用.

運(yùn)動(dòng)參數(shù)的比較

石英晶振的操作經(jīng)常用熟悉的"等效電路"來解釋,如圖3.0所示.

所討論的晶體假定以特定的頻率和泛音級(jí)振動(dòng),并且沒有耦合模式.標(biāo)有"C0"的電容是真實(shí)電容,包括電極之間的電容和與安裝結(jié)構(gòu)相關(guān)的雜散電容;它也被稱為"分流"或"靜態(tài)"電容,代表處于非工作狀態(tài)或靜態(tài)的晶體.其他組件代表處于工作或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的晶體:"L1","C1"和"R1"分別標(biāo)識(shí)"運(yùn)動(dòng)電感","運(yùn)動(dòng)電容"和"運(yùn)動(dòng)電阻".運(yùn)動(dòng)電感代表石英板的振動(dòng)質(zhì)量,而運(yùn)動(dòng)電容代表板的彈性或剛度.運(yùn)動(dòng)阻力,通常簡稱為"阻力",代表由于振動(dòng)板內(nèi)部摩擦造成的體積損失,以及安裝點(diǎn)應(yīng)力造成的損失.

如等效電路所示,工作貼片晶振的頻率可通過以下公式得出:

其中L1是以mH為單位的運(yùn)動(dòng)電感,C1是以pF為單位的運(yùn)動(dòng)電容,f是以MHz為單位的頻率.

運(yùn)動(dòng)電感和運(yùn)動(dòng)電容相互依賴—如果頻率保持不變,一個(gè)值的變化會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)值的變化.兩者中的任何一個(gè)變化幾乎總是導(dǎo)致阻力的變化,盡管這不是一個(gè)硬性的規(guī)則.

當(dāng)處理平板時(shí),電極面積必須改變,以便改變運(yùn)動(dòng)電容和電感的值.如果電極面積增加,靜態(tài)電容和運(yùn)動(dòng)電容都增加,運(yùn)動(dòng)電感減小,通常電阻減小.運(yùn)動(dòng)電容的增加導(dǎo)致可拉性增加和晶體不太穩(wěn)定.相反,如果電極面積減小,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電容都減小,動(dòng)態(tài)電感增加,電阻(通常)增加,即使只是輕微增加.運(yùn)動(dòng)電感的增加導(dǎo)致可拉性降低,從而獲得更穩(wěn)定的晶振.

常規(guī)晶體單元(例如封裝在HC-49/U支架中的晶體單元)通常使用裝有圓形電極的圓形石英諧振板.使用真空下的金屬沉積將電極施加到石英板的表面.通過使用覆蓋除待電極區(qū)域之外的所有板的掩模來確保正確放置.面罩通常由三個(gè)部分組成:一個(gè)中心部分和上下部分,中間部分有板的嵌套,上下部分為電極提供孔.當(dāng)制作這種掩模時(shí),很容易改變決定電極尺寸的孔徑;因此,多種電極尺寸可以應(yīng)用于特定直徑的共振板.如上所述,電極區(qū)域的大小決定了晶體的運(yùn)動(dòng)參數(shù),因此可以指定這些參數(shù)以使器件適合特定應(yīng)用.

例如,對(duì)于需要具有高可拉性的壓電石英晶體的應(yīng)用,很容易應(yīng)用導(dǎo)致這種諧振器的電極.相反,如果要避免可拉性,可以很容易地設(shè)計(jì)出避免這種情況的電極.如果應(yīng)用所需的電極與共振板一樣大或者甚至更大,人們通常可以在指定的支架中使用稍微大一點(diǎn)的板.

雖然理論上有可能將相同的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)應(yīng)用于條形諧振器,但這樣做實(shí)際上要少得多.四邊形諧振器被大量制造以滿足高需求;標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)于高效的生產(chǎn)力至關(guān)重要.四邊形電極沉積中使用的四邊形掩模很難制造,因此晶振廠家制造商不太可能愿意在很大程度上定制它們.

此外,定制的程度受到四邊形板的限制:由支架/包裝放置在板尺寸上的板,以及避免耦合模式所必需的板.電極和電極區(qū)域尺寸的限制反過來又限制了分流和運(yùn)動(dòng)電容以及運(yùn)動(dòng)電感的值范圍,并最終影響電阻值.

根據(jù)應(yīng)用的不同,這些限制可能并不重要.在許多情況下,四邊形板的運(yùn)動(dòng)參數(shù)值與傳統(tǒng)的圓形晶體單元相比相當(dāng)有利.表1比較了裝在熟悉的福克斯電子公司HC49U支架中的圓形諧振器和裝在FOX Crystal公司HC49S中的"條形"諧振器在20.000兆赫頻率下的參數(shù).

必須記住,這兩個(gè)部件都是批量生產(chǎn)的,面向微處理器的大眾市場;然而,這種部件通常用于要求更高的應(yīng)用中.存在一些顯著差異;特別有趣的是,在HC49S("條形"諧振器)中觀察到的增加的運(yùn)動(dòng)電感足以抵消增加的電阻,并導(dǎo)致比HC49U更高的"Q"值.

"AT-cut"諧振器與"BT-cut"諧振器的比較

因?yàn)樵谑⑹?AT切割和BT切割是以不同的角度進(jìn)行的,所以它們的操作特性不同.最明顯的區(qū)別是,在給定的頻率下,BT板的厚度大約是at板的1.5倍.在上面的例子中,為了產(chǎn)生工作在20.000兆赫的晶體,at板的厚度約為0.083毫米,而BT板的厚度約為0.128毫米.因此,可以使用BT切割板制造具有更高基模頻率的晶體.如果板厚被任意限制,例如限制在0.05毫米,則自動(dòng)變速器切割板將以33.200兆赫石英晶體振蕩器,而英國變速器切割板將以51.200兆赫振蕩

另一個(gè)顯著的操作差異是,自動(dòng)變速器表現(xiàn)出頻率隨溫度變化的立方變化,而變速器表現(xiàn)出頻率隨溫度變化的拋物線變化.在足夠?qū)挼臏囟确秶鷥?nèi),自動(dòng)變速器切割板將顯示三個(gè)點(diǎn),在這三個(gè)點(diǎn)上,頻率與溫度的變化為零或接近于零;賭城風(fēng)云

BT將只顯示一個(gè)(通常是室溫).因此,在通常的商業(yè)溫度范圍內(nèi),自動(dòng)變速器能夠保持比英國變速器更嚴(yán)格的頻率偏差.

在給定頻率下,在自動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器之間也觀察到運(yùn)動(dòng)參數(shù)值的微小差異;然而,這些通常在操作上并不重要.

結(jié)論

我們已經(jīng)表明,在傳統(tǒng)的圓形晶振單元和表面貼裝(即,"條形"諧振器)器件之間,運(yùn)動(dòng)參數(shù)值存在潛在的顯著差異.四邊形板的設(shè)計(jì)和制造受到支持"虛假"頻率響應(yīng)和耦合模式的趨勢(shì)的嚴(yán)重限制,使得它們很難針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制.當(dāng)板必須在寬溫度范圍內(nèi)符合嚴(yán)格的操作特性時(shí),這些困難尤其明顯.

在任何情況下,這種討論都不應(yīng)妨礙四邊形板的使用;他們基于大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì),使他們成為許多應(yīng)用的有吸引力的替代產(chǎn)品.然而,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,用四邊形諧振器簡單地替換傳統(tǒng)的諧振器是非常謹(jǐn)慎的,即使兩者工作在相同的頻率.通常對(duì)晶體單元初始選擇的詳細(xì)評(píng)估應(yīng)適用于諧振器配置的任何變化.

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