石英晶體諧振器

石英晶體諧振器

利用石英晶體的壓電效應而制成的諧振元件
石英晶體諧振器,又稱為石英晶體,俗稱晶振,是利用石英晶體的壓電效應而制成的諧振元件,與半導體器件和阻容元件一起使用,便可構成石英晶體振蕩器。 逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。
  • 中文名:石英晶體諧振器
  • 外文名:
  • 用途:
  • 又稱:石英晶體
  • 俗稱:晶振
  • 類别:諧振元件

簡介

效應

對某些電介質施加機械力而引起它們内部正負電荷中心相對位移,産生極化,從而導緻介質兩端表面内出現符号相反的束縛電荷.在一定應力範圍内,機械力與電荷呈線性可逆關系,這種現象稱為壓電效應。

壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式,如下圖。壓電晶體是各向異性的,并非所有晶體都能在這5種狀态下産生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應,但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

作用

提供系統振蕩脈沖,穩定頻率,選擇頻率。

參數

a.标稱頻率:在規定條件下,晶振的諧振中心頻率。

b.調整頻差:在規定條件下,基準溫度時的工作頻率相對标稱頻率的最大偏離值。(ppm)

c.溫度頻差:在規定條件下,在整個工作溫度範圍内,相對于基準溫度時工作頻率的允許偏離值。

d.負載諧振電阻:晶振與指定外部電容相串聯,在負載諧振頻率時的電阻值。

e.負載電容:是指與晶振一起決定負載諧振頻率的有效外界電容.常用标準值有:12pF、16pF、20pF、30pF。

分類

首先說一下石英晶振諧振器。諧振器一般分為插件(Dip)和貼片(SMD)插件中又分為HC-49U、HC-49S、HC-49SS、音叉型(柱狀晶振)。HC-49U一般稱49U,有些采購俗稱"高型",而HC-49S一般稱49S,俗稱"矮型",HC-49SS一般稱49SS,俗稱(超矮型,通常是2.5mm封裝高度),音叉型按照體積分可以分為3*9、3*8、2*6、、1*5、、1*4等等。

貼片型是按大小和腳位來分類。例如7*5(0705)、6*3.5(0603)、5*3.2(5032)等等。腳位有4pin和2pin之分。而振蕩器也可以分為插件和貼片。插件可以按大小和腳位來分。例如所謂全尺寸的,又稱長方形或者14pin,半尺寸的又稱正方形或者8pin。不過要注意的是,這裡的14pin和8pin都是指振蕩器内部核心IC的腳位數。振蕩器本身是4pin。而從不同的應用層面來分,又可分為OSC(普通鐘振)、TCXO(溫補鐘振)、VCXO(壓控鐘振)、OCXO(恒溫鐘振)等等。

泛音

石英諧振器的模态譜,包括基模,三階泛音,5階泛音和一些亂真信号響應,即寄生模。在振蕩器應用上,振蕩器總是選擇最強的模式工作。一些幹擾模式有急劇升降的頻率—溫度特性。有時候,當溫度發生改變,在一定溫度下,寄生模的頻率與振蕩頻率一緻,這導緻了“活動性下降”。在活動性下降時,寄生模的激勵引起諧振器的額外能量的消耗,導緻Q值的減小,等效串聯電阻增大及振蕩器頻率的改變。

當阻抗增加到相當大的時候,振蕩器就會停止,即振蕩器失效。當溫度改變遠離活動性下降的溫度時,振蕩器又會重新工作。寄生模能有适當的設計和封裝方法控制。不斷修正電極與晶片的尺寸關系(即應用能陷原則),并保持晶片主平面平行,這樣就能把寄生模最小化。

指标

标稱頻率:振蕩器輸出的中心頻率或頻率的标稱值。

頻率準确度:振蕩器輸出頻率在室溫(25℃±2℃)下相對于标稱頻率的偏差。

調整頻差:在指定溫度範圍内振蕩器輸出頻率相對于25℃時測量值的最大允許頻率偏差。

負載諧振頻率(fL):在規定條件下,晶體與一負載電容相串聯或相并聯,其組合阻抗呈現為電阻性時(産生諧振)的兩個頻率中的一個頻率。在串聯負載電容時,負載諧振頻率是兩個頻率中較低的一個,在并聯負載電容時,則是兩個頻率中較高的一個。

靜電容:等效電路中與串聯臂并接的電容,也叫并電容,通常用C0表示。

工作溫度範圍:能夠保證振蕩器輸出頻率及其化各種特性符合指标的溫度範圍。

頻率溫度穩定度:在标稱電源和負載下,工作在規定溫度範圍内的不帶隐含基準溫度或帶隐含基準溫度的最大允許頻偏

ft=±(fmax-fmin)/(fmax+fmin)

ftref=±MAX[|(fmax-fref)/fref|,|(fmin-fref)/fref|]

ft:頻率溫度穩定度(不帶隐含基準度)

ftref:頻率溫度穩定度(帶隐含基準溫)

fmax:規定溫度範圍内測得的最高頻率

fmin:規定溫度範圍内測得的最低頻率

fref:規定基準溫度測得的頻率

說明:采用ftref指标的晶體振蕩器其生産難度要高于采用ft指标的晶體振蕩器,故ftref指标的晶體振蕩器售價較高。

負載電容:與晶體一起決定負載諧振頻率FL的有效外界電容,用CL表示。

負載電容系列:8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF

激勵電平:晶體工作時所消耗功率的表征值。激勵電平可選值有:2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等

老化率:在确定時間内輸出頻率的相對變化。

基頻:在振動模式最低階次的振動頻率。

泛音:晶體振動的機械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數倍但不是整數倍,這是它與電氣諧波的主要區别。泛音振動有3次泛音,5次泛音,7次泛音,9次泛音等。

應用

石英晶體諧振器根據其外型結構不同可分為HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S·SMD、UM-1、UM-5及柱狀晶體等。

HC-49U适用于具有寬闊空間的電子産品如通信設備、電視機、電話機、電子玩具中。

HC-49U/S适用于空間高度受到限制的各類薄型、小型電子設備及産品中。

HC-49U/S·SMD為準表面貼裝型産品,适用于各類超薄型、小型電腦及電子設備中。

柱狀石英晶體諧振器适用于空間狹小的穩頻計時電子産品如計時器、電子鐘、計算器等。

UM系列産品主要應用于移動通訊産品中,如BP機、移動手機等。

石英晶體諧振器主要用于頻率控制和頻率選擇電路。本指南有助于确保不出現性能不滿意、成本不合适及可用性不良等現象。

1、振動模式與頻率關系:

基頻1~35MHz

3次泛音10~75MHz

5次泛音50~150MHz

7次泛音100~200MHz

9次泛音150~250MHz

2、晶體電阻:對于同一頻率,當工作在高次泛音振動時其電阻值将比工作在低次振動時大。

"信号源+電平表"功能由網絡分析儀完成

Ri、R0:儀器内阻:一般為50Ω

R1--濾波器輸入端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。

R2--濾波器輸出端外接阻抗,阻抗值為匹配阻抗減去50Ω。

在濾波器條件的匹配阻抗中有時有并接電容要求,應按上圖連接。

3、工作溫度範圍與溫度頻差:在提出溫度頻差時,應考慮設備工作引起的溫升容限。當對溫度頻差要求很高,同時空間和功率都允許的情況下,應考慮恒溫工作,恒溫晶體振蕩器就是為此而設計的。

4、負載電容與頻率牽引:在許多應用中,都有用一負載電抗元件來牽引晶體頻率的要求,這在鎖相環回路及調頻應用中非常必要,大多數情況下,這個負載電抗呈容性,當該電容值為CL時,則相對負載諧振頻率偏移量為:DL=C1/[2(C0+CL)]。而以CL作為可調元件由DL1調至DL2時,相對頻率牽引為:

DL1,L2=C1(CL1-CL2)/[2(C0+CL1)(C0+CL2)]。

5、負載電容的選擇:晶體工作在基頻時,其負載電容的标準值為20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶體經常工作在串聯諧振,在使用負載電容的地方,其負載電容值應從下列标準值中選擇:8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。

6、激勵電平的影響:一般來講,AT切晶體激勵電平的增大,其頻率變化是正的。激勵電平過高會引起非線性效應,導緻可能出現寄生振蕩;嚴重熱頻漂;過應力頻漂及電阻突變。當激勵電平過低時則會造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不穩定。

7、濾波電路中的應用:應用于濾波電路中時,除通常的規定外,更應注意其等效電路元件的數值和誤差以及寄生響應的位置和幅度,由于濾波晶體設計的特殊性,所以用戶選購時應特别說明。

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