壓電諧振器可以控制振蕩器頻率的發現創造了晶振單元市場,最初主要由業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,商業廣播電臺改造了他們的設備,市場迅速擴大.在晶體單元制造的最初幾年,幾乎所有商業單元都是使用四邊形板制造的,因為這種板的成形相對容易.
頻率和運動參數的溫度依賴性
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.晶體的彈性常數隨著溫度的變化而變化,從而產生新的頻率響應.這些不僅影響厚度剪切響應,還影響任何其他激勵振動.正如厚度剪切將以其基頻的奇整數倍激發一樣,其他振動模式也是如此.典型地,在"其它"模式中由溫度引起的頻率偏移相當大,大約為百萬分之幾百/每攝氏度.因此,干擾主模式響應的耦合模式可以是面剪切或其它一些響應的第n諧波.
如上所述,耦合模式很容易在四邊形板中誘發.雖然這些響應的幅度通常被抑制到足以避免嚴重擾動,但是任何耦合模式的存在都會擾動基本響應,即使只是輕微擾動.此外,使用四邊形板根本無法滿足特定溫度范圍內頻率偏差的某些要求.如果應用要求頻率純度或特定溫度范圍內的精確頻率偏差,則必須仔細評估四邊形板的使用.
運動參數的比較
石英晶振的操作經常用熟悉的"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振動,并且沒有耦合模式.標有"C0"的電容是真實電容,包括電極之間的電容和與安裝結構相關的雜散電容;它也被稱為"分流"或"靜態"電容,代表處于非工作狀態或靜態的晶體.其他組件代表處于工作或運動狀態的晶體:"L1","C1"和"R1"分別標識"運動電感","運動電容"和"運動電阻".運動電感代表石英板的振動質量,而運動電容代表板的彈性或剛度.運動阻力,通常簡稱為"阻力",代表由于振動板內部摩擦造成的體積損失,以及安裝點應力造成的損失.
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為單位的運動電感,C1是以pF為單位的運動電容,f是以MHz為單位的頻率.
運動電感和運動電容相互依賴—如果頻率保持不變,一個值的變化會導致另一個值的變化.兩者中的任何一個變化幾乎總是導致阻力的變化,盡管這不是一個硬性的規則.
當處理平板時,電極面積必須改變,以便改變運動電容和電感的值.如果電極面積增加,靜態電容和運動電容都增加,運動電感減小,通常電阻減小.運動電容的增加導致可拉性增加和晶體不太穩定.相反,如果電極面積減小,靜態和動態電容都減小,動態電感增加,電阻(通常)增加,即使只是輕微增加.運動電感的增加導致可拉性降低,從而獲得更穩定的晶振.
常規晶體單元(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域之外的所有板的掩模來確保正確放置.面罩通常由三個部分組成:一個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.當制作這種掩模時,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用于特定直徑的共振板.如上所述,電極區域的大小決定了晶體的運動參數,因此可以指定這些參數以使器件適合特定應用.
例如,對于需要具有高可拉性的壓電石英晶體的應用,很容易應用導致這種諧振器的電極.相反,如果要避免可拉性,可以很容易地設計出避免這種情況的電極.如果應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的板.
雖然理論上有可能將相同的設計和制造技術應用于條形諧振器,但這樣做實際上要少得多.四邊形諧振器被大量制造以滿足高需求;標準化對于高效的生產力至關重要.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.電極和電極區域尺寸的限制反過來又限制了分流和運動電容以及運動電感的值范圍,并最終影響電阻值.
根據應用的不同,這些限制可能并不重要.在許多情況下,四邊形板的運動參數值與傳統的圓形晶體單元相比相當有利.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.
必須記住,這兩個部件都是批量生產的,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動電感足以抵消增加的電阻,并導致比HC49U更高的"Q"值.
"AT-cut"諧振器與"BT-cut"諧振器的比較
因為在石英石中,AT切割和BT切割是以不同的角度進行的,所以它們的操作特性不同.最明顯的區別是,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
另一個顯著的操作差異是,自動變速器表現出頻率隨溫度變化的立方變化,而變速器表現出頻率隨溫度變化的拋物線變化.在足夠寬的溫度范圍內,自動變速器切割板將顯示三個點,在這三個點上,頻率與溫度的變化為零或接近于零;賭城風云
BT將只顯示一個(通常是室溫).因此,在通常的商業溫度范圍內,自動變速器能夠保持比英國變速器更嚴格的頻率偏差.
在給定頻率下,在自動變速器和自動變速器之間也觀察到運動參數值的微小差異;然而,這些通常在操作上并不重要.
結論
我們已經表明,在傳統的圓形晶振單元和表面貼裝(即,"條形"諧振器)器件之間,運動參數值存在潛在的顯著差異.四邊形板的設計和制造受到支持"虛假"頻率響應和耦合模式的趨勢的嚴重限制,使得它們很難針對特定應用進行定制.當板必須在寬溫度范圍內符合嚴格的操作特性時,這些困難尤其明顯.
在任何情況下,這種討論都不應妨礙四邊形板的使用;他們基于大規模生產的經濟,使他們成為許多應用的有吸引力的替代產品.然而,應該強調的是,用四邊形諧振器簡單地替換傳統的諧振器是非常謹慎的,即使兩者工作在相同的頻率.通常對晶體單元初始選擇的詳細評估應適用于諧振器配置的任何變化.
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