石英晶体谐振器介绍
石英晶体的重要特性:压电材料;高度各向异性;高的品质因数;容易加工;供应充足;和其他的好的器件应用特性(切型拥有良好的频温关系等)
石英晶体谐振器的发展
1883年Pierre curie兄弟发现了压电效应.挡在绝缘固体上施加压力时,电介质固体的表面件能够产生电压,同事也可能产生一个很小的电流.一些特定的晶体能够显示压电效应,例如石英,罗谢尔盐,陶瓷材料.当将电压施加在一个具有压电特性的固体的表面时,在该股体也可以产生机械变形.
品质因数Q是很重要的材料特性和器件工作性能指标.我们一般采用这样的定义方式:
一个循环中贮存的能量
Q=———————————
一个循环中损失的能量
此定义适用于任何一个器件和材料,在晶体谐振器的性能中这是几个最重要的指标之一.
石英晶体谐振器利用压电效应来提供稳定的参考频率.它的频率源于交流电压驱动的带有电极的结构的机械振动.它是应用最广泛的频率控制产品之一,你能够在厂家爱你的通讯装置(如点化,手机和收音机等)和家用电器中都能找到它们.
一个石英晶体谐振器能够利用不同的机械振动模式(如弯曲,拉伸和厚度剪切等)和它们的高次谐波(泛音)作为它们的独特的这栋频率.通常我们所选择的振动模式是有频率范围,频率稳定性,谐振器尺寸大小,品质因数和其他的因素来决定的.
一般来说,我们需要用一个晶振结构的物理模型来分析石英晶体谐振器的振动.如果不区别特定的振动模式,典型的谐振器用以下一个简单的模型表示:
在石英晶体谐振器的诸多特性中,一些特性直接关系到石英晶体谐振器的设计,而这些特性一直是我们用各种理论,方法和工具进行分析的对象.进行准确,全面和可靠的分析是这方面研究的目标,因为这将使晶体谐振器的设计过程更加具有灵活性和成熟性.
我们想要通过一个理想化的分析和设计过程来考虑石英晶体谐振器的以下特性:
频率——温度特性
虽然谐振器的频率是稳定的,但是它会因为温度的变化而产生轻微的影响.也就是说,石英晶体谐振器有这样的特性:频率随着温度的变化而变化.频率温度特性表现于频稳耐性(公差)和稳定性.
谐振和抗负载性
在确定的条件下,石英晶体谐振器的电气特性应处于谐振频率.对于晶体谐振器作为电气装置来说这些是基本的特性.
静态和动态电容
在一个电路中,在谐振频率时驱动电压为直流和交流时的电容.
电感
在电路中,这是一个很重要的谐振电参数.
激励电平效应
如果驱动电平高,谐振器很容易振荡,但频率的稳定性会被破坏.如果驱动电平过高,晶体谐振器的表面可能被破坏.如果驱动电平过低,频率瞬间的反应将要变弱或者谐振器不能够谐振,因此驱动电平和频率的稳定性在加工和设计中是一个重要的因素.
石英晶体优异的频率温度关系虽然能够提供稳定的频率输出,但这仅仅局限于特定的晶体方向.通常我们称这种特殊的方向为不同的切型,意味着可以通过晶体轴的旋转获得这些方向和以一种特别的方式来切割晶体.我们熟悉的切型有AT,SC和ST等.
AT-切θ=35.25°
SC-切θ=33.92°,φ=21.93°
对于谐振器应用而言,我们仍然在努力寻求更好的切型以便获得更好的频率温度特性.
石英晶体是一种各项异性材料,这就意味着在方向上的旋转变化将会在材料性能方面引起相应的变化,如弹性常数,介电常数等和决定器件振动频率和电路参数的压电常数.这是在产品研发和制作中对材料方向上进行微调的路论基础.
利用前面所给的物理模型对石英晶体谐振器进行分析的成熟理论在过去的几十年中已有长足的发展和改进,但这方面的努力一直唯有停顿过.我们仍然在寻求可以直接用于谐振器设计的简单理论和方法.
基于压电板理论的CAD技术现在已经可以用于谐振器设计.
为了满足设计需求,我们一直通过使用有限元素法对位移和频率范围做精确的分析并考虑像压电效应这样的复杂因素.这一方法已经在一些主要的石英晶体谐振器制造厂家应用.
的频率温度关系也能通过考虑热效应的板理论和有限元素法来分析.在推行这一技术上没有困难,结果能够满足设计要求.这可以看作是限元法的完整的板的理论的实现.
缺点是对于计算机内存的较大需求,这一点几年前很难做到.
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