石英晶体基础知识(2)

2020-03-27 14:14

绕长度方向(X 轴)逆时针旋转35°即得到晶片的切割方位,(XYtl)5°/-50°厚度t(X 轴)逆时针旋转5°,再绕长度l(Y 轴)顺时针旋转50°,即是石英片的切割方位。

石英晶体的习惯符号多数用二个英文大写字母表示,例(YXl)35°切型习惯 符号用AT 表示,(XYtl)5°/-50°用NT 表示。 ② 常用石英晶体切型:

二、 AT 石英谐振器的特性 1、频率方程

① 特点:a、频率高,范围宽500KHz~350MHz。 b、压电活力高。

c、宽温度范围内(-55°~85℃)频率温度特性好。 d、加工方便,体积小,适于大批量生产。

② 振动频率方程:fn=n Kr/t (n=1、3、5、7…) 当l/t>>20 w/l>>20 或φ/t>>60 时,上式Kr=1670KHz.mm

例:25MHz,FUNDAMENTAL 时,厚度是66.8μm

再薄的实际上加工不可能,而利用OVERTONE 的形式,可加工具有从25MHz 到200MHz 频率的晶体。

2、AT 切石英谐振器的频率温度特性

① 温度特性:石英谐振器的频率随温度变化而变化的性质。 石英谐振器的频率温度特性方程为:

23

△f/f0=(f-f0)/f0=a0(T-T0)+b0(T-T0)+c0(T-T0) 其中

T:任意温度 T0:参考温度

f0:在参考温度T0 时的频率

a0、b0、c0 为T0 时的一级、二级、三级温度系数。

石英谐振器的温度系数Tr=(l/f0)*(df/dT)=a0+2b0(T-T0)+3c0(T-T0)2 其中:

a0=(l/f0)* (df/dT) T-T0 b0=(1/2f0)*(d2f/dT3) T-T0 c0=(1/6f0)*(d3f/dT3) T-T0

Tr 为任意温度T 时的频率温度系数,Tr 绝对值的大小表示该温度附近频率随温 度变化的大小,当Tr=0 时,则表示在该温度时频率随温度的变化为零,温度稳 定性最好,当T=T0 时,Tr=a0,这表明只有在a0=0 时,才能Tr=0,所以a0=0 的切角称为零温度系数切角,AT 切型的切角为35°15′时: a0≈0

b0=0.39310-9/℃2 c0=109310-12/℃3

而a0、b0、c0 随切角而变化,其变化率为: da0/dφ=-5.15310-6/℃2度 db0/dφ=-4.7310-9/℃22度 dc0/dφ=2310-12/℃32度 φ为AT 切型的切角

② AT 切频率特性曲线与特性方程:

频率特性曲线随切型、切角、尺寸、密度和弹性系数而变化,下图(1) 是各种切型理论上的温度曲线

在φ=35°05′~35°30′范围内AT 切型频率温度特性曲线如下图(2)所示 从图可知,在拐点(Ti) (d2f/dT2)T1=0

在极点(Tm、Tn)有(df/dT)Tm.n=0 若选Ti 为参考温度,则: 曲线A:b0=0 曲线方程为:

3

△f/f0= a0(T-Ti) +c0(T-Ti)

曲线B:a0=0 b0=0 (Ti 为参考温度)

△f/f0= c0(T-Ti)

3

曲线B 在拐点附近较窄的温度范围内△f/f 的变化很小,适合于窄温小公差 产品的要求,曲线A 在拐点附近较宽的温度范围内,由于存在两个极点,△f/f 的变化很小,能够满足宽温度范围的使用要求,其差别在于A 曲线的一级温度 系数a0≠0,所以在实际应用中为了扩大温度使用范围,当曲线B 切角确定后, 还应采取稍微改变切角的方法,使a0 变得不为零,即可达到宽温度使用要求, AT 切的拐点温度为Ti=27℃,不同切角极点温度为:

③ 影响AT 切型频率温度特性的因素:

a、切角φ的影响,当晶片的外型确定后,改变频率温度特性曲线的最有效的方 法是改变晶片切角,理论上AT 切的温特曲线如图所示,这些曲线是切角在 基准角的基础上各变化2′得到的。

水晶片切断角度的中心值也根据PACKAGE TYPE 的大小(水晶片的大小), 发振频率(水晶片的厚度)及水晶片的加工法等所变化,所以不能肯定此曲 线的0 必须是AT CUT 水晶片的切断角度的35°15′,而且这些曲线模样也 在各种条件下可变,故此频率温度特性曲线不一定符合AT CUT 水晶片,因 此,水晶振动子的频率特性有各种制造上的制约,实际上不能照样适用理论 曲线。

b、晶片尺寸的影响:晶片厚度变薄时,需增加切角,以满足温度特性。 晶片直径变小时,需增加切角,以满足温度特性。 磨双凸或倒边使晶片φ/t 增加时,需减小切角。

c、泛音次数的影响:基频,35°15′ 3 次泛音,35°15′+8′=35°23′ 5 次泛音,35°15′+10′=35°25′ 7 次泛音,35°15′+12′=35°27′

d、电轴偏差的影响:晶片电轴方向的切角误差XX′≤30′,电轴方向切角的 误差光轴方向的切角误差约为XX′=45′ ZZ′=1′ d1、等效电路

谐振时 Z=R1 fs=1/2π(L1C1)1/2 反谐振时 Z=1/ωp2c02R1 L1:动态电感 C1:动态电容

R1:等效串联谐振电阻 C0:静电容 d2、负载电容:

在振荡器中与石英谐振器联合决定工作频率的有效外界电容,称为负载电

容(CL),也就是说由于石英谐振器工作在某种线路之后,所给的工作频率既 不是石英谐振器的串联谐振频率,也不是其并联谐振频率,而是两个频率之间, 这个结果是因线路的影响的缘故,就相当于在石英谐振器上串上或并上一个电 容的影响是一样的。即:

d3、等效电阻R1

石英谐振器的等效电阻是谐振器损耗机构的一个量度,它包括内摩擦,支

架的损耗,空气阻尼和电极与石英片之间的摩擦等,这些参数是很难计算的, 经验公式为(d/t>20) R1=nK/d2f

式中,n 为泛音次数,d 为电极直径(单位英寸),f 为频率(单位MHz)

d4、品质因数Q

品质因数Q 的定义为Q=每个周期贮存的能量/每个周期失去的能量 对于石英谐振器Q=2πL1/R1=1/2πfC1R1

AT切石英谐振器可能得到最大的Qmax为:Qmax? f=K Qmax= K/f K=1531012Hz d5、参数间的关系:

石英谐振器的负载谐振频率fSL 与谐振频率f0、C0、L0、C1、CL 之间的关 系为:


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