石英晶體諧振器的發展

1883年Pierre curie兄弟發現了壓電效應.擋在絕緣固體上施加壓力時,電介質固體的表面件能夠產生電壓,同事也可能產生一個很小的電流.一些特定的晶體能夠顯示壓電效應,例如石英,羅謝爾鹽,陶瓷材料.當將電壓施加在一個具有壓電特性的固體的表面時,在該股體也可以產生機械變形.

石英晶體諧振器是一個用作頻率標準的電子元件,它也可以使頻率穩定并具有選擇性.石英晶體諧振器廣泛的應用在各種各樣的電子系統,設備和儀器中如無線電話,微波通訊,廣播,電視,衛星和遠距離通訊,電子表和各類數字化儀器等等.它也能用來作為溫度,壓力和中立等類型的傳感器.

品質因數Q是很重要的材料特性和器件工作性能指標.我們一般采用這樣的定義方式:

一個循環中貯存的能量

Q=———————————

一個循環中損失的能量

此定義適用于任何一個器件和材料,在晶體諧振器的性能中這是幾個最重要的指標之一.

為了滿足設計需求,我們一直通過使用有限元素法對位移和頻率范圍做精確的分析并考慮像壓電效應這樣的復雜因素.這一方法已經在一些主要的石英晶體諧振器制造廠家應用.

晶振的頻率溫度關系也能通過考慮熱效應的板理論和有限元素法來分析.在推行這一技術上沒有困難,結果能夠滿足設計要求.這可以看作是限元法的完整的板的理論的實現.

缺點是對于計算機內存的較大需求,這一點幾年前很難做到.

石英晶體諧振器利用壓電效應來提供穩定的參考頻率.它的頻率源于交流電壓驅動的帶有電極的石英晶振結構的機械振動.它是應用最廣泛的頻率控制產品之一,你能夠在廠家愛你的通訊裝置(如點化,手機和收音機等)和家用電器中都能找到它們.

一個無源晶振能夠利用不同的機械振動模式(如彎曲,拉伸和厚度剪切等)和它們的高次諧波(泛音)作為它們的獨特的這棟頻率.通常我們所選擇的振動模式是有頻率范圍,頻率穩定性,諧振器尺寸大小,品質因數和其他的因素來決定的.

一般來說,我們需要用一個晶振結構的物理模型來分析石英晶體諧振器的振動.如果不區別特定的振動模式,典型的諧振器用以下一個簡單的模型表示:

在石英晶體諧振器的諸多特性中,一些特性直接關系到石英晶體諧振器的設計,而這些特性一直是我們用各種理論,方法和工具進行分析的對象.進行準確,全面和可靠的分析是這方面研究的目標,因為這將使晶體諧振器的設計過程更加具有靈活性和成熟性.

石英晶體諧振器介紹

石英晶體的重要特性:壓電材料;高度各向異性;高的品質因數;容易加工;供應充足;和其他的好的器件應用特性(切型擁有良好的頻溫關系等)

貼片晶體優異的頻率溫度關系雖然能夠提供穩定的頻率輸出,但這僅僅局限于特定的晶體方向.通常我們稱這種特殊的方向為不同的切型,意味著可以通過晶體軸的旋轉獲得這些方向和以一種特別的方式來切割晶體.我們熟悉的切型有AT,SC和ST等.

AT-切θ=35.25°

SC-切θ=33.92°,φ=21.93°

對于諧振器應用而言,我們仍然在努力尋求更好的切型以便獲得更好的頻率溫度特性.

石英晶體是一種各項異性材料,這就意味著在方向上的旋轉變化將會在材料性能方面引起相應的變化,如彈性常數,介電常數等和決定器件振動頻率和電路參數的壓電常數.這是在產品研發和制作中對材料方向上進行微調的路論基礎.

利用前面所給的物理模型對石英晶體諧振器進行分析的成熟理論在過去的幾十年中已有長足的發展和改進,但這方面的努力一直唯有停頓過.我們仍然在尋求可以直接用于諧振器設計的簡單理論和方法.

基于壓電板理論的CAD技術現在已經可以用于諧振器設計.

我們想要通過一個理想化的分析和設計過程來考慮石英晶體諧振器的以下特性:

激勵電平效應

如果驅動電平高,諧振器很容易振蕩,但頻率的穩定性會被破壞.如果驅動電平過高,晶體諧振器的表面可能被破壞.如果驅動電平過低,頻率瞬間的反應將要變弱或者諧振器不能夠諧振,因此驅動電平和頻率的穩定性在加工和設計中是一個重要的因素.

頻率——溫度特性

雖然諧振器的頻率是穩定的,但是它會因為溫度的變化而產生輕微的影響.也就是說,石英晶體諧振器有這樣的特性:頻率隨著溫度的變化而變化.頻率溫度特性表現于頻穩耐性(公差)和穩定性.

電感

在電路中,這是一個很重要的諧振電參數.

諧振和抗負載性

在確定的條件下,石英晶體諧振器的電氣特性應處于諧振頻率.對于晶體諧振器作為電氣裝置來說這些是基本的特性.

靜態和動態電容

在一個電路中,在諧振頻率時驅動電壓為直流和交流時的電容.

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