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1、压电石英谐振器和振荡器,石英晶体： 石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺陷和电清洗 压电效应： 压电效应、压电方程、切型和定向、旋转坐标系、频率温度系数 振动模式： 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电网络 谐振器和振荡器： 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理,压电石英晶体谐振器： 等效电路、振动模式；,压电振子（白片、光片、blank plate ）经过上架、封装等工艺就成为压电谐振器。因为它们有很高的Q值，有极好的频率稳定性，可为滤波器网络提供很高的频率选择性，也可以用于振荡器的稳频。因此获得了大量的应用。 压电谐振器的性能与晶片的切型、装架形式以及制造工艺有关，其中最
2、关键的问题是切型的选择。,随着微电子学的发展、集成电路的广泛应用，特别是片式元件的开发和表面安装技术的发展，石英谐振器也向微型化和薄片化方向发展。,压电谐振器等效电路,压电振子等效电路,Cp1、Cp2引线与接地片（外壳）之间的电容； Ce1、Ce2分别代表两个电极与接地片之间的电容；,Cpp是引线之间的直接电容； Rp1、Rp2支撑压电片安装结构的电阻， Lp1、Lp2代表这些结构的等效电感。,Ce代表压电片两电极之间的电容,Rs代表压电片两电极之间的漏电阻。,石英谐振器的振动模式：按谐振频率由低向高,弯曲振动石英谐振器： xy 棒厚度弯曲 NT切宽度弯曲 音叉石英谐振器 长度伸缩振动石英谐振
3、器： 面切变石英谐振器： 厚度切变石英谐振器： AT切石英谐振器 BT切石英谐振器 SC切石英谐振器,弯曲振动石英谐振器：xy 棒厚度弯曲,频率方程：,其中：m随边比t/l增大而减小；在lt时，对于基波频率，m=4.73,频率常数：,一般情况下，频率常数与切角、边比的关系比较复杂。,频率常数表达式中只有材料参数，没有振子的几何尺寸！,弯曲振动石英谐振器：xy 棒厚度弯曲,不同切角时，频率常数N与边比的关系。,(xyt),x+5棒零频率温度系数ZTC与边比的关系。,边比为0.052时，xy棒零频率温度系数ZTC与切角的关系。,弯曲振动石英谐振器：NT切宽度弯曲振动谐振器,NT切即双旋转切型(xy
4、tl) /; 其中： =0 830；=38 70之间; 这是石英晶体常用切型中切角变化最大的一种切型; 常用的切有(xytl)+5/ 50和(xytl) )+8.5/ 60两种切角组合； 使用的频率范围为10 100kHz左右；,弯曲振动石英谐振器：NT切宽度弯曲振动谐振器,由于一次旋转切型(xyt) 的宽度弯曲振动石英谐振器的频率温度系数在任何切角下都不可能为零； 两次旋转切型(xytl) /晶片能激发面切变和弯曲振动的耦合振动； 在某一切角时，两种振动的温度系数可能彼此相消，有可能得到零频率温度系数。 相对于一次旋转切型(xyt) ，两次旋转切型(xytl) /晶片的压电活性有所下降； 切
5、角的选择要兼顾温度特性和压电活性两个方面！,电极分割法和宽度弯曲振动模式,上半部的电场与下半部的电场方向相反； 一般采用四电极配置，由四根引线支撑，引线要焊在节点上！,石英晶体宽度弯曲振动的频率方程：,其中：w为晶片宽度，l为晶片长度，s22E”为短路弹性顺服系数，为晶片的密度。,频率常数：,边比：,两组切角组合时，NT切的宽度弯曲压电振子频率常数与边比的关系,边比：,频率常数：,两组切角组合时，NT切的宽度弯曲压电振子零温度系数与边比的关系,获得NT切ZTC点的切角组合,NT切=(xytl) /,室温,高频,低频,音叉型石英谐振器：,石英音叉谐振器是一端固定的弯曲振动模式谐振器，可以获得更低
6、的频率。 对于同一尺寸的石英片，一端固定的振动频率是两端自由振动频率的0.157倍。 常用切型：NT切和xy切；,音叉型石英谐振器的频率方程：,对比：NT切宽度弯曲振动频率方程：,弯曲振动石英谐振器的等效参数：,弯曲振动石英谐振器中等效电路中的动态电感L1、动态电容C1和动态电阻R1决定于石英晶片的切型、几何尺寸、电极形状和振动模式，而且与加工工艺有关。 并联电容C0是晶片的静电容和支架电容CH之和。,对于厚度弯曲振动石英谐振器有：,式中的电感系数KL、电容系数KC和电阻系数KR与切型以及振动模式有关，其中KL随边比t/l增大而减小。,在3 20kHz频率范围内，xy棒石英谐振器等效参数的范围
7、: L1=54003500 H、 C1 =0.0140.167pF 、R1 =520 k 。 由于电场分布复杂，难易计算其静电容。,对于NT切石英谐振器有：,式中电感系数KL与边比w/l有关，随边比w/l增大而增大。其静电容为：,弯曲振动石英谐振器的设计：,由于弯曲振动石英晶片的寄生振动很少，特别是厚度弯曲振动在低频下没有寄生响应，可以不必考虑和其它振动模式的耦合问题； 这类石英谐振器的振动频率与长度l成反比，与振动方向（厚度或者宽度）的尺寸成正比；因此频率可调正或者调负，在设计石英晶片时要留有一定余量； 由于弯曲振动谐振器的晶片尺寸比较大，对石英晶体原料要求比较严格。,切型选择：x+5切，加
8、工方便、用料经济； 20kHz谐振器， NT切型；晶片尺寸选择： 工作温度范围选择合适的边比； 根据边比确定频率常数； 由频率方程得到晶片长度； 由长度和边比得到厚度或者宽度；,xy棒电极配置的要求，最好厚度和宽度相同；但是加工时为了区别两个不同方向，宽度、厚度设计的不同；通常选择的宽度比厚度尺寸大0.3 0.4mm。 NT 切的厚度对动态电感R1有影响，为了方便生产，一般取厚度为t=0.5mm。 谐振器的温度特性除了和边比有关外，有时还需要考虑切角的影响。 由于弯曲振动的石英谐振器的频率较低，很容易将振动能量传递给支架和周围气体，从而严重影响其Qm值。所以低频振动谐振器的支架要求粗一些而且牢
9、靠，并真空封装。,长度伸缩振动石英谐振器：,长度伸缩振动石英谐振器的工作频率通常在50 500 kHz的范围内。 可激发这类振动的切型有：(xyt)： =0、5 、18.5切、NT切及y切棒等。,(xyt)切石英振子的长度l宽度w和厚度t分别平行于y、z和x轴方向，而且lw，lt，电极面为x面。 激发振动的压电常数为d12，谐振频率方程为：,频率常数为：,(xyt)切的频率常数与切角的关系,x+5切的频率常数与边比w/l的关系,长度伸缩振动石英谐振器的等效参数：,式中：n是泛音次数，为摩擦系数和介质损耗系数，在正常大气压下10，真空中=1.7。,面切变振动石英谐振器：,面切变又称为轮廓切变。
10、常用切型有：CT、DT、ET、FT和HT切等； 都是y切族，切型符号 yxl/；其中： CT切：=+37 +38 DT切：=-52 -53 ET切：=+6630 FT切：=-57 HT切：=+35,一般常用CT和DT两种切型； 频率范围：100600kHz； 在适当的切角和边比的情况下，可获得零频率温度系数，其它性质也比较好； 厚度选择不当，可以产生于厚度弯曲振动的耦合；,面切变缩振动的频率方程：,方片的基波频率：,频率常数：,晶片长度：,边比:,基音模式设计参数,DT切石英谐振器的动态电容,DT切石英谐振器的静电容,两个边比下的零频率温度系数与切角关系 (1)w/t=0.35; (2)w/t
11、=0.225,频率常数fsw，最佳边比w/l与xy弯曲振动模式之间的关系,1、2、3、4代表2、4、6、8次xy弯曲振动模式； 5 8更复杂的寄生振动模式； 水平线A、B、C、D表示x-宽度DT切片适用宽厚比； 水平线E、F、G、H表示x-长度DT切片适用宽厚比。,厚度切变振动石英谐振器：,AT切石英谐振器：yxl/35 BT切石英谐振器：yxl/-49厚度方向平行于y，在y面上被覆电极，通过e26在xy面上产生厚度切变振动。 SC切石英谐振器: (yxwl)2230/3418具有平面应力补偿和热瞬变补偿，应用于高稳定晶体振荡器。,AT切石英谐振器: 应用广泛 晶片尺寸合适，便于加工； 在较宽
12、温度范围内具有良好的频率温度特性； 有较高的压电活性； 频率范围：800kHz 350MHz， 1GHz,薄片频率方程：,矩形片频率方程：,l/t 20，w/t20,修正系数K1和K2由实验确定,AT切片的频率温度特性,BT切石英谐振器： 频率常数大、机械品质因数Qm高、老化率小、容易加工； 频率温度系数大、压电活性低； 主要应用于高频器件；,频率方程与AT切相同； 对于高频BT石英谐振器，厚度甚小于长度l和宽度w；,厚度t单位是mm,BT切晶片的频率温度特性,BT切零频率温度温度点与切角关系,SC切石英谐振器：,SC切型示意图,SC切是二次旋转切型，定向和切割比较复杂。,SC切具有应力补偿和
13、热瞬变补偿特性，其频率与热应力以及电极应力在表面内产生的应力无关。 因此具有老化小、相位噪音低、短期频率稳定性好、热滞效应小以及开机特性好等优点。 老化率可以达到：10-12/d， 短周期频率稳定性可以达到：10-13/s； 用于高稳定晶体振荡器。,SC切晶片具有三种振动模式：a、b、c模；不希望出现的模式是b模，总是和c模一起出现； SC切的幅频效应比AT切的低得多，功耗比AT切高6 10 dB，工作电流大；,压电石英晶体振荡器： 原理和补偿方式,矿石收音机 http:/ 晶体振荡器（XO）：精度 10-5 10-4， 计算机时钟 温度补偿晶体振荡器（TCXO ）: 10-6 手机计算机补偿
14、晶体振荡器（MCXO）: 10-8 10-7 恒温晶体振荡器（OCXO）: 10-8 雷达、导航 压控晶体振荡器（VCXO）: 调频、多普勒,温度补偿晶体振荡器 TCXO: Temperature Compensated Crystal Oscillator,提供一个稳定的频率； 体积小、重量轻、功耗低、起振快；滞后效应； 温度补偿是进一步提高温度稳定性； 补偿原理是：石英谐振器-受控非线性电抗元件组合的串联谐振频率不随环境温度的变化而变化，从而提高振荡器的频率稳定性。,普通的TCXO使用线性良好的变容二极管和热敏电阻。 TCXO由两个部分组成： 电压控制的晶体振荡器，其振荡频率由电压控制；
15、产生随温度变化的电压的电路；该电压反馈到晶体振荡器，补偿由环境温度变化引起的振荡频率变化。 TCXO的种类很多，补偿方法也不同，大致有： 简易温度补偿、模拟温度补偿、数字温度补偿、混合模拟-数字温度补偿和微机控制温度补偿。,模拟温度补偿TCXO：,AT切石英振荡器的频率温度特性曲线，是一个三次方曲线。,模拟温度补偿是通过热敏补偿网络提供所需的电压-温度特性，以便调制变容二极管的电容而是振荡频率在较宽的温度范围内得到较好的补偿。,微机补偿晶体振荡器 MCXO： Micro-computer Compensated Crystal Oscillator,恒温晶体振荡器 OCXO: Oven Controlled Crystal Oscillator,压控晶体振荡器 VCXO: Voltage Controlled Crystal Oscillator,石英晶体： 石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺陷和电清洗 压电效应： 压电效应、压电方程、切型和定向、旋转坐标系、频率温度系数 振动模式： 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电网络 谐振器和振荡器： 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理,
