Cardinal晶體操作原理
來(lái)源：http://www.theqj.cn 作者：康華爾電子 2019年02月23
美國(guó)有一家Cardinal Components公司，是專(zhuān)門(mén)做石英水晶組件產(chǎn)品的，成立于1986年，主要生產(chǎn)石英晶體諧振器，晶體振蕩器，OCXO振蕩器，TCXO振蕩器，VCXO振蕩器，可編程振蕩器等系列。這些電子元件的材料，來(lái)源于大自然的礦產(chǎn)資源，從采購(gòu)天然水晶石英，到人工培植，節(jié)省了不少成本。Cardinal晶振公司利用水晶石英制成的石英晶體可以做到1.2*1.0mm這么小的體積，滿(mǎn)足微小型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品需求。
在自然界中，發(fā)現(xiàn)二氧化硅具有不同的形式，其中之一是石英。盡管14％的地球表面由二氧化硅組成，但很少發(fā)現(xiàn)具有合適尺寸和必要純度的石英。結(jié)果，開(kāi)發(fā)了培養(yǎng)的石英。在大型鋼制高壓釜中，在約400℃的溫度和1,000Kgs/cm2的壓力下，由熱的飽和二氧化硅溶液實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)的石英。通過(guò)在高壓釜中種植的先前切割的種子來(lái)控制晶體的軸向生長(zhǎng)。生長(zhǎng)速度可達(dá)每天2.5毫米。為了獲得純晶體，優(yōu)選受控的慢生長(zhǎng)速率。當(dāng)使用生長(zhǎng)石英時(shí)，來(lái)自培養(yǎng)石英的石英晶體的產(chǎn)率高。
最實(shí)用的石英晶體原料是結(jié)晶二氧化硅，SiO2。這是由于其機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性以及有利的壓電常數(shù)。材料中的小摩擦損失保證了制造具有非常高品質(zhì)因數(shù)的機(jī)電振蕩器。
通過(guò)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為特定頻率的電流，石英晶體單元用作振蕩器電路的控制元件。這是通過(guò)“壓電”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。壓電是由壓力產(chǎn)生的電力。在壓電材料中，沿一個(gè)軸施加機(jī)械壓力將導(dǎo)致沿與第一軸成直角的軸產(chǎn)生電荷。在一些材料中，發(fā)現(xiàn)了正面壓電效應(yīng)，這意味著在軸的端部上施加電場(chǎng)將導(dǎo)致沿著與第一軸成直角的軸的機(jī)械偏轉(zhuǎn)。石英在機(jī)械，電氣和化學(xué)性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置。多年來(lái)，已開(kāi)發(fā)出在一定頻率和溫度范圍內(nèi)振蕩的石英晶體單元。
“串聯(lián)”諧振晶體適用于振蕩器反饋環(huán)路中不含無(wú)功元件的電路。“并聯(lián)”諧振晶體適用于振蕩器反饋環(huán)路中含有無(wú)功元件（通常為電容器）的電路。這種電路取決于電抗元件和晶體的組合，以實(shí)現(xiàn)在指定頻率下啟動(dòng)和保持振蕩所需的相移。
溫度系數(shù)與石英毛坯的頻率穩(wěn)定性有關(guān)，溫度變化是石英，振動(dòng)模式和切割類(lèi)型的函數(shù)。頻率-溫度曲線(xiàn)針對(duì)高頻AT晶體進(jìn)行推廣，稱(chēng)為在指定溫度范圍（以°C為單位）的頻率偏差（以PPM為單位），曲線(xiàn)族可用于定義圍繞該頻率的最大允許偏差（以分鐘為單位）。切割空白的中心。
在各種元件中，“AT”切割已成為最受歡迎的，因?yàn)樗梢栽谙鄬?duì)高的頻率下使用，表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性，并且以合理的成本廣泛地獲得。
在指定“AT”切割晶體單元時(shí)，F(xiàn)undamentalvs.Overtone主要受到關(guān)注。隨著諧振器板的厚度減小，這些單元的頻率增加。在某些時(shí)候，通常大約30MHz，板變得太薄而不能進(jìn)行有效處理。由于“AT”將在基頻的奇數(shù)倍數(shù)處諧振，因此在對(duì)更高頻率的SMD晶振進(jìn)行排序時(shí)，必須指定所需的泛音順序。驅(qū)動(dòng)電平是晶體消耗的功率。驅(qū)動(dòng)電平通常以微瓦或毫瓦為單位，典型值為100微瓦。
可拉性是指晶體單元的頻率變化，從自然諧振頻率（FR）到負(fù)載諧振頻率（FL），或從一個(gè)負(fù)載諧振頻率到另一個(gè)負(fù)載諧振頻率。給定晶體單元在給定負(fù)載電容值下表現(xiàn)出的可牽引力是并聯(lián)電容（C0）和晶體單元的運(yùn)動(dòng)電容（C1）的函數(shù)。石英晶體的等效電路可用于解釋水晶的性能。
C0是晶體的分流或靜電電容。該參數(shù)等于從引腳到引腳測(cè)量的電容之和，包括電極和安裝結(jié)構(gòu).L1，C1和R1是晶體的運(yùn)動(dòng)臂.L1，運(yùn)動(dòng)電感，由運(yùn)動(dòng)中石英的機(jī)械質(zhì)量決定。湯普森公式涉及L1和C1規(guī)范。
C1是晶體的運(yùn)動(dòng)電容。該參數(shù)由石英的剛度（常數(shù)），電極的面積以及石英晶片的厚度和形狀決定.R1代表晶體的等效串聯(lián)電阻（ESR）。它是振動(dòng)過(guò)程中機(jī)械損失的函數(shù)。低阻力表明機(jī)械損失很小。電阻越低，石英晶振越容易振蕩。
晶體規(guī)格的三個(gè)主要組成部分是：
1、在室溫下校準(zhǔn)
2、在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3、老化
室溫校準(zhǔn)是對(duì)+25°C頻率精度的測(cè)量。通過(guò)改變電極的質(zhì)量，將石英晶體頻率調(diào)節(jié)在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。較低的頻率對(duì)質(zhì)量變化不太敏感，因此更容易保持更嚴(yán)格的公差。容差和穩(wěn)定性以百萬(wàn)分率（ppm）來(lái)衡量。
切割石英棒的角度決定了溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。非常受歡迎的剪裁是“AT”剪裁。切割精度決定了ppm在溫度范圍內(nèi)的變化有多緊。老化定義為頻率隨時(shí)間的變化。影響此規(guī)范的因素有 兩個(gè)：污染和壓力。請(qǐng)參閱有關(guān)老化的部分。
負(fù)載容量是在石英水晶諧振器端子上測(cè)量或計(jì)算的總電路的動(dòng)態(tài)容量。在并聯(lián)電路中，應(yīng)選擇負(fù)載容量以在晶體電抗曲線(xiàn)上的穩(wěn)定點(diǎn)處操作晶體（盡可能接近fr）。
下面是振蕩器電路的一個(gè)例子，其中預(yù)期晶體以并聯(lián)模式運(yùn)行。如果將串聯(lián)晶體放入該電路中，則頻率將高達(dá)約0.02％。
以皮法（pF）指定的負(fù)載電容（CL）可通過(guò)以下公式計(jì)算：
Cstray包括C1和C2引腳上的振蕩器級(jí)的引腳到引腳，輸入和輸出電容以及任何其他寄生效應(yīng)。通常假設(shè)Cstray等于5pF。如果C1和C2各等于22pF，則CL=16pF。
如果振蕩器級(jí)配置為晶體的相移精確等于0°或360°的倍數(shù)，則晶體將以串聯(lián)諧振（fr）工作。晶體的負(fù)載能力必須指定為“串聯(lián)諧振”。晶體單元的品質(zhì)因數(shù)（Q）值是單位相對(duì)質(zhì)量或振蕩效率的度量。
水晶振子單元的最大可達(dá)到的穩(wěn)定性取決于“Q”值。串聯(lián)和并聯(lián)頻率之間的分離稱(chēng)為帶寬。帶寬越小，“Q”值越高，電抗斜率越陡。外部電路元件的電抗變化對(duì)高“Q”晶體的影響較?。?ldquo;可拉性”較?。?因此這樣的部分更穩(wěn)定。
對(duì)于設(shè)計(jì)為并聯(lián)或反諧振工作的晶體單元，等效電阻是指在額定驅(qū)動(dòng)電平調(diào)整并調(diào)整到規(guī)定值的指定晶體阻抗表中工作時(shí)，單位和規(guī)定負(fù)載值的串聯(lián)負(fù)載電容的等效歐姆電阻。晶體單位頻率。
用于晶體的美國(guó)軍用規(guī)格（MIL-C-3098）定義了等效電阻，如下所示：對(duì)于設(shè)計(jì)為串聯(lián)諧振的晶體單元，等效電阻是在指定的晶體阻抗表中工作的單位的等效歐姆電阻。額定驅(qū)動(dòng)電平并調(diào)諧到指定的晶振單位頻率。
工作驅(qū)動(dòng)電平是晶體內(nèi)部消耗的功率。仔細(xì)確定和選擇與可靠啟動(dòng)一致的驅(qū)動(dòng)電平以及振蕩時(shí)晶體所需的性能非常重要。如果驅(qū)動(dòng)電平太低（通常小于100微瓦），則可能不會(huì)開(kāi)始振蕩。但是，驅(qū)動(dòng)電平過(guò)高（通常大于1毫瓦）會(huì)導(dǎo)致頻率偏移，長(zhǎng)期頻率老化不良以及工作溫度范圍內(nèi)的頻率擾動(dòng)。老齡化是用來(lái)描述漸進(jìn)的一般術(shù)語(yǔ)。
•fs=系列諧振頻率=
•fa=反共振頻率=
•ΔF=頻率變化=
•C1=運(yùn)動(dòng)電容=
•L1=運(yùn)動(dòng)電感=
•R1=串聯(lián)諧振電阻
•r=電容比=
•Q=品質(zhì)因數(shù)=
•Ra=反共振電阻
•C0=晶體分流電容
•CL=負(fù)載電容
所有Cardinal石英晶體都有多種振動(dòng)模式。如果響應(yīng)與主模式一樣強(qiáng)，則寄生模式指的是不需要的模式。如果振蕩器在主軸上運(yùn)行而不是主模式，則頻率輸出會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)將雜散模式指定為與主電阻的電阻比模式或dB抑制。電阻比為1.5或2.0比1足以避免跳模。-3dB至-6dB是以dB為單位的近似等效規(guī)范。
隨著時(shí)間的推移，晶體單元的工作特性惡化。許多因素導(dǎo)致這種惡化，例如內(nèi)部污染，過(guò)度驅(qū)動(dòng)水平，電線(xiàn)疲勞，摩擦磨損和晶體坯料的表面腐蝕。制造過(guò)程和石英坯料的清潔度大大減少了污染造成的老化。最快的老化發(fā)生在第一年。如果貼片石英晶振的老化速率必須低，則晶體可以通過(guò)溫度循環(huán)或高溫老化延長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)老化。
在自然界中，發(fā)現(xiàn)二氧化硅具有不同的形式，其中之一是石英。盡管14％的地球表面由二氧化硅組成，但很少發(fā)現(xiàn)具有合適尺寸和必要純度的石英。結(jié)果，開(kāi)發(fā)了培養(yǎng)的石英。在大型鋼制高壓釜中，在約400℃的溫度和1,000Kgs/cm2的壓力下，由熱的飽和二氧化硅溶液實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)的石英。通過(guò)在高壓釜中種植的先前切割的種子來(lái)控制晶體的軸向生長(zhǎng)。生長(zhǎng)速度可達(dá)每天2.5毫米。為了獲得純晶體，優(yōu)選受控的慢生長(zhǎng)速率。當(dāng)使用生長(zhǎng)石英時(shí)，來(lái)自培養(yǎng)石英的石英晶體的產(chǎn)率高。
最實(shí)用的石英晶體原料是結(jié)晶二氧化硅，SiO2。這是由于其機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性以及有利的壓電常數(shù)。材料中的小摩擦損失保證了制造具有非常高品質(zhì)因數(shù)的機(jī)電振蕩器。
通過(guò)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為特定頻率的電流，石英晶體單元用作振蕩器電路的控制元件。這是通過(guò)“壓電”效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。壓電是由壓力產(chǎn)生的電力。在壓電材料中，沿一個(gè)軸施加機(jī)械壓力將導(dǎo)致沿與第一軸成直角的軸產(chǎn)生電荷。在一些材料中，發(fā)現(xiàn)了正面壓電效應(yīng)，這意味著在軸的端部上施加電場(chǎng)將導(dǎo)致沿著與第一軸成直角的軸的機(jī)械偏轉(zhuǎn)。石英在機(jī)械，電氣和化學(xué)性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置。多年來(lái)，已開(kāi)發(fā)出在一定頻率和溫度范圍內(nèi)振蕩的石英晶體單元。
“串聯(lián)”諧振晶體適用于振蕩器反饋環(huán)路中不含無(wú)功元件的電路。“并聯(lián)”諧振晶體適用于振蕩器反饋環(huán)路中含有無(wú)功元件（通常為電容器）的電路。這種電路取決于電抗元件和晶體的組合，以實(shí)現(xiàn)在指定頻率下啟動(dòng)和保持振蕩所需的相移。
溫度系數(shù)與石英毛坯的頻率穩(wěn)定性有關(guān)，溫度變化是石英，振動(dòng)模式和切割類(lèi)型的函數(shù)。頻率-溫度曲線(xiàn)針對(duì)高頻AT晶體進(jìn)行推廣，稱(chēng)為在指定溫度范圍（以°C為單位）的頻率偏差（以PPM為單位），曲線(xiàn)族可用于定義圍繞該頻率的最大允許偏差（以分鐘為單位）。切割空白的中心。
在各種元件中，“AT”切割已成為最受歡迎的，因?yàn)樗梢栽谙鄬?duì)高的頻率下使用，表現(xiàn)出優(yōu)異的頻率與溫度穩(wěn)定性，并且以合理的成本廣泛地獲得。
在指定“AT”切割晶體單元時(shí)，F(xiàn)undamentalvs.Overtone主要受到關(guān)注。隨著諧振器板的厚度減小，這些單元的頻率增加。在某些時(shí)候，通常大約30MHz，板變得太薄而不能進(jìn)行有效處理。由于“AT”將在基頻的奇數(shù)倍數(shù)處諧振，因此在對(duì)更高頻率的SMD晶振進(jìn)行排序時(shí)，必須指定所需的泛音順序。驅(qū)動(dòng)電平是晶體消耗的功率。驅(qū)動(dòng)電平通常以微瓦或毫瓦為單位，典型值為100微瓦。
可拉性是指晶體單元的頻率變化，從自然諧振頻率（FR）到負(fù)載諧振頻率（FL），或從一個(gè)負(fù)載諧振頻率到另一個(gè)負(fù)載諧振頻率。給定晶體單元在給定負(fù)載電容值下表現(xiàn)出的可牽引力是并聯(lián)電容（C0）和晶體單元的運(yùn)動(dòng)電容（C1）的函數(shù)。石英晶體的等效電路可用于解釋水晶的性能。
C0是晶體的分流或靜電電容。該參數(shù)等于從引腳到引腳測(cè)量的電容之和，包括電極和安裝結(jié)構(gòu).L1，C1和R1是晶體的運(yùn)動(dòng)臂.L1，運(yùn)動(dòng)電感，由運(yùn)動(dòng)中石英的機(jī)械質(zhì)量決定。湯普森公式涉及L1和C1規(guī)范。
C1是晶體的運(yùn)動(dòng)電容。該參數(shù)由石英的剛度（常數(shù)），電極的面積以及石英晶片的厚度和形狀決定.R1代表晶體的等效串聯(lián)電阻（ESR）。它是振動(dòng)過(guò)程中機(jī)械損失的函數(shù)。低阻力表明機(jī)械損失很小。電阻越低，石英晶振越容易振蕩。
晶體規(guī)格的三個(gè)主要組成部分是：
1、在室溫下校準(zhǔn)
2、在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3、老化
室溫校準(zhǔn)是對(duì)+25°C頻率精度的測(cè)量。通過(guò)改變電極的質(zhì)量，將石英晶體頻率調(diào)節(jié)在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。較低的頻率對(duì)質(zhì)量變化不太敏感，因此更容易保持更嚴(yán)格的公差。容差和穩(wěn)定性以百萬(wàn)分率（ppm）來(lái)衡量。
切割石英棒的角度決定了溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。非常受歡迎的剪裁是“AT”剪裁。切割精度決定了ppm在溫度范圍內(nèi)的變化有多緊。老化定義為頻率隨時(shí)間的變化。影響此規(guī)范的因素有 兩個(gè)：污染和壓力。請(qǐng)參閱有關(guān)老化的部分。
負(fù)載容量是在石英水晶諧振器端子上測(cè)量或計(jì)算的總電路的動(dòng)態(tài)容量。在并聯(lián)電路中，應(yīng)選擇負(fù)載容量以在晶體電抗曲線(xiàn)上的穩(wěn)定點(diǎn)處操作晶體（盡可能接近fr）。
下面是振蕩器電路的一個(gè)例子，其中預(yù)期晶體以并聯(lián)模式運(yùn)行。如果將串聯(lián)晶體放入該電路中，則頻率將高達(dá)約0.02％。
以皮法（pF）指定的負(fù)載電容（CL）可通過(guò)以下公式計(jì)算：
Cstray包括C1和C2引腳上的振蕩器級(jí)的引腳到引腳，輸入和輸出電容以及任何其他寄生效應(yīng)。通常假設(shè)Cstray等于5pF。如果C1和C2各等于22pF，則CL=16pF。
如果振蕩器級(jí)配置為晶體的相移精確等于0°或360°的倍數(shù)，則晶體將以串聯(lián)諧振（fr）工作。晶體的負(fù)載能力必須指定為“串聯(lián)諧振”。晶體單元的品質(zhì)因數(shù)（Q）值是單位相對(duì)質(zhì)量或振蕩效率的度量。
水晶振子單元的最大可達(dá)到的穩(wěn)定性取決于“Q”值。串聯(lián)和并聯(lián)頻率之間的分離稱(chēng)為帶寬。帶寬越小，“Q”值越高，電抗斜率越陡。外部電路元件的電抗變化對(duì)高“Q”晶體的影響較?。?ldquo;可拉性”較?。?因此這樣的部分更穩(wěn)定。
對(duì)于設(shè)計(jì)為并聯(lián)或反諧振工作的晶體單元，等效電阻是指在額定驅(qū)動(dòng)電平調(diào)整并調(diào)整到規(guī)定值的指定晶體阻抗表中工作時(shí)，單位和規(guī)定負(fù)載值的串聯(lián)負(fù)載電容的等效歐姆電阻。晶體單位頻率。
用于晶體的美國(guó)軍用規(guī)格（MIL-C-3098）定義了等效電阻，如下所示：對(duì)于設(shè)計(jì)為串聯(lián)諧振的晶體單元，等效電阻是在指定的晶體阻抗表中工作的單位的等效歐姆電阻。額定驅(qū)動(dòng)電平并調(diào)諧到指定的晶振單位頻率。
工作驅(qū)動(dòng)電平是晶體內(nèi)部消耗的功率。仔細(xì)確定和選擇與可靠啟動(dòng)一致的驅(qū)動(dòng)電平以及振蕩時(shí)晶體所需的性能非常重要。如果驅(qū)動(dòng)電平太低（通常小于100微瓦），則可能不會(huì)開(kāi)始振蕩。但是，驅(qū)動(dòng)電平過(guò)高（通常大于1毫瓦）會(huì)導(dǎo)致頻率偏移，長(zhǎng)期頻率老化不良以及工作溫度范圍內(nèi)的頻率擾動(dòng)。老齡化是用來(lái)描述漸進(jìn)的一般術(shù)語(yǔ)。
•fs=系列諧振頻率=
•fa=反共振頻率=
•ΔF=頻率變化=
•C1=運(yùn)動(dòng)電容=
•L1=運(yùn)動(dòng)電感=
•R1=串聯(lián)諧振電阻
•r=電容比=
•Q=品質(zhì)因數(shù)=
•Ra=反共振電阻
•C0=晶體分流電容
•CL=負(fù)載電容
所有Cardinal石英晶體都有多種振動(dòng)模式。如果響應(yīng)與主模式一樣強(qiáng)，則寄生模式指的是不需要的模式。如果振蕩器在主軸上運(yùn)行而不是主模式，則頻率輸出會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)將雜散模式指定為與主電阻的電阻比模式或dB抑制。電阻比為1.5或2.0比1足以避免跳模。-3dB至-6dB是以dB為單位的近似等效規(guī)范。
隨著時(shí)間的推移，晶體單元的工作特性惡化。許多因素導(dǎo)致這種惡化，例如內(nèi)部污染，過(guò)度驅(qū)動(dòng)水平，電線(xiàn)疲勞，摩擦磨損和晶體坯料的表面腐蝕。制造過(guò)程和石英坯料的清潔度大大減少了污染造成的老化。最快的老化發(fā)生在第一年。如果貼片石英晶振的老化速率必須低，則晶體可以通過(guò)溫度循環(huán)或高溫老化延長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行預(yù)老化。
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