Cardinal晶體操作原理
來源：http://www.mingdakt.cn 作者：康華爾電子 2019年02月23
美國有一家Cardinal Components公司，是專門做石英水晶組件產(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，來源于大自然的礦產(chǎn)資源，從采購天然水晶石英，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，滿足微小型設計的產(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現(xiàn)培養(yǎng)的石英。通過在高壓釜中種植的先前切割的種子來控制晶體的軸向生長。生長速度可達每天2.5毫米。為了獲得純晶體，優(yōu)選受控的慢生長速率。當使用生長石英時，來自培養(yǎng)石英的石英晶體的產(chǎn)率高。
最實用的石英晶體原料是結(jié)晶二氧化硅，SiO2。這是由于其機械和化學穩(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)的機電振蕩器。
通過將機械振動轉(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“壓電”效應實現(xiàn)的。壓電是由壓力產(chǎn)生的電力。在壓電材料中，沿一個軸施加機械壓力將導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，這意味著在軸的端部上施加電場將導致沿著與第一軸成直角的軸的機械偏轉(zhuǎn)。石英在機械，電氣和化學性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置。多年來，已開發(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，以實現(xiàn)在指定頻率下啟動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，溫度變化是石英，振動模式和切割類型的函數(shù)。頻率-溫度曲線針對高頻AT晶體進行推廣，稱為在指定溫度范圍（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，因為它可以在相對高的頻率下使用，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，F(xiàn)undamentalvs.Overtone主要受到關注。隨著諧振器板的厚度減小，這些單元的頻率增加。在某些時候，通常大約30MHz，板變得太薄而不能進行有效處理。由于“AT”將在基頻的奇數(shù)倍數(shù)處諧振，因此在對更高頻率的SMD晶振進行排序時，必須指定所需的泛音順序。驅(qū)動電平是晶體消耗的功率。驅(qū)動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）到負載諧振頻率（FL），或從一個負載諧振頻率到另一個負載諧振頻率。給定晶體單元在給定負載電容值下表現(xiàn)出的可牽引力是并聯(lián)電容（C0）和晶體單元的運動電容（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量的電容之和，包括電極和安裝結(jié)構.L1，C1和R1是晶體的運動臂.L1，運動電感，由運動中石英的機械質(zhì)量決定。湯普森公式涉及L1和C1規(guī)范。
C1是晶體的運動電容。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）。它是振動過程中機械損失的函數(shù)。低阻力表明機械損失很小。電阻越低，石英晶振越容易振蕩。
晶體規(guī)格的三個主要組成部分是：
1、在室溫下校準
2、在整個溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3、老化
室溫校準是對+25°C頻率精度的測量。通過改變電極的質(zhì)量，將石英晶體頻率調(diào)節(jié)在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。較低的頻率對質(zhì)量變化不太敏感，因此更容易保持更嚴格的公差。容差和穩(wěn)定性以百萬分率（ppm）來衡量。
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間的變化。影響此規(guī)范的因素有 兩個：污染和壓力。請參閱有關老化的部分。
負載容量是在石英水晶諧振器端子上測量或計算的總電路的動態(tài)容量。在并聯(lián)電路中，應選擇負載容量以在晶體電抗曲線上的穩(wěn)定點處操作晶體（盡可能接近fr）。
下面是振蕩器電路的一個例子，其中預期晶體以并聯(lián)模式運行。如果將串聯(lián)晶體放入該電路中，則頻率將高達約0.02％。
以皮法（pF）指定的負載電容（CL）可通過以下公式計算：
Cstray包括C1和C2引腳上的振蕩器級的引腳到引腳，輸入和輸出電容以及任何其他寄生效應。通常假設Cstray等于5pF。如果C1和C2各等于22pF，則CL=16pF。
如果振蕩器級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）值是單位相對質(zhì)量或振蕩效率的度量。
水晶振子單元的最大可達到的穩(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高“Q”晶體的影響較小（“可拉性”較?。?因此這樣的部分更穩(wěn)定。
對于設計為并聯(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，單位和規(guī)定負載值的串聯(lián)負載電容的等效歐姆電阻。晶體單位頻率。
用于晶體的美國軍用規(guī)格（MIL-C-3098）定義了等效電阻，如下所示：對于設計為串聯(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)動電平并調(diào)諧到指定的晶振單位頻率。
工作驅(qū)動電平是晶體內(nèi)部消耗的功率。仔細確定和選擇與可靠啟動一致的驅(qū)動電平以及振蕩時晶體所需的性能非常重要。如果驅(qū)動電平太低（通常小于100微瓦），則可能不會開始振蕩。但是，驅(qū)動電平過高（通常大于1毫瓦）會導致頻率偏移，長期頻率老化不良以及工作溫度范圍內(nèi)的頻率擾動。老齡化是用來描述漸進的一般術語。
•fs=系列諧振頻率=
•fa=反共振頻率=
•ΔF=頻率變化=
•C1=運動電容=
•L1=運動電感=
•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=負載電容
所有Cardinal石英晶體都有多種振動模式。如果響應與主模式一樣強，則寄生模式指的是不需要的模式。如果振蕩器在主軸上運行而不是主模式，則頻率輸出會發(fā)生變化。應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。
隨著時間的推移，晶體單元的工作特性惡化。許多因素導致這種惡化，例如內(nèi)部污染，過度驅(qū)動水平，電線疲勞，摩擦磨損和晶體坯料的表面腐蝕。制造過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，則晶體可以通過溫度循環(huán)或高溫老化延長一段時間進行預老化。
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現(xiàn)培養(yǎng)的石英。通過在高壓釜中種植的先前切割的種子來控制晶體的軸向生長。生長速度可達每天2.5毫米。為了獲得純晶體，優(yōu)選受控的慢生長速率。當使用生長石英時，來自培養(yǎng)石英的石英晶體的產(chǎn)率高。
最實用的石英晶體原料是結(jié)晶二氧化硅，SiO2。這是由于其機械和化學穩(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)的機電振蕩器。
通過將機械振動轉(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“壓電”效應實現(xiàn)的。壓電是由壓力產(chǎn)生的電力。在壓電材料中，沿一個軸施加機械壓力將導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，這意味著在軸的端部上施加電場將導致沿著與第一軸成直角的軸的機械偏轉(zhuǎn)。石英在機械，電氣和化學性質(zhì)方面非常適合制造頻率控制裝置。多年來，已開發(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，以實現(xiàn)在指定頻率下啟動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，溫度變化是石英，振動模式和切割類型的函數(shù)。頻率-溫度曲線針對高頻AT晶體進行推廣，稱為在指定溫度范圍（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，因為它可以在相對高的頻率下使用，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，F(xiàn)undamentalvs.Overtone主要受到關注。隨著諧振器板的厚度減小，這些單元的頻率增加。在某些時候，通常大約30MHz，板變得太薄而不能進行有效處理。由于“AT”將在基頻的奇數(shù)倍數(shù)處諧振，因此在對更高頻率的SMD晶振進行排序時，必須指定所需的泛音順序。驅(qū)動電平是晶體消耗的功率。驅(qū)動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）到負載諧振頻率（FL），或從一個負載諧振頻率到另一個負載諧振頻率。給定晶體單元在給定負載電容值下表現(xiàn)出的可牽引力是并聯(lián)電容（C0）和晶體單元的運動電容（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量的電容之和，包括電極和安裝結(jié)構.L1，C1和R1是晶體的運動臂.L1，運動電感，由運動中石英的機械質(zhì)量決定。湯普森公式涉及L1和C1規(guī)范。
C1是晶體的運動電容。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）。它是振動過程中機械損失的函數(shù)。低阻力表明機械損失很小。電阻越低，石英晶振越容易振蕩。
晶體規(guī)格的三個主要組成部分是：
1、在室溫下校準
2、在整個溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性
3、老化
室溫校準是對+25°C頻率精度的測量。通過改變電極的質(zhì)量，將石英晶體頻率調(diào)節(jié)在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。較低的頻率對質(zhì)量變化不太敏感，因此更容易保持更嚴格的公差。容差和穩(wěn)定性以百萬分率（ppm）來衡量。
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間的變化。影響此規(guī)范的因素有 兩個：污染和壓力。請參閱有關老化的部分。
負載容量是在石英水晶諧振器端子上測量或計算的總電路的動態(tài)容量。在并聯(lián)電路中，應選擇負載容量以在晶體電抗曲線上的穩(wěn)定點處操作晶體（盡可能接近fr）。
下面是振蕩器電路的一個例子，其中預期晶體以并聯(lián)模式運行。如果將串聯(lián)晶體放入該電路中，則頻率將高達約0.02％。
以皮法（pF）指定的負載電容（CL）可通過以下公式計算：
Cstray包括C1和C2引腳上的振蕩器級的引腳到引腳，輸入和輸出電容以及任何其他寄生效應。通常假設Cstray等于5pF。如果C1和C2各等于22pF，則CL=16pF。
如果振蕩器級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）值是單位相對質(zhì)量或振蕩效率的度量。
水晶振子單元的最大可達到的穩(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高“Q”晶體的影響較小（“可拉性”較?。?因此這樣的部分更穩(wěn)定。
對于設計為并聯(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，單位和規(guī)定負載值的串聯(lián)負載電容的等效歐姆電阻。晶體單位頻率。
用于晶體的美國軍用規(guī)格（MIL-C-3098）定義了等效電阻，如下所示：對于設計為串聯(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)動電平并調(diào)諧到指定的晶振單位頻率。
工作驅(qū)動電平是晶體內(nèi)部消耗的功率。仔細確定和選擇與可靠啟動一致的驅(qū)動電平以及振蕩時晶體所需的性能非常重要。如果驅(qū)動電平太低（通常小于100微瓦），則可能不會開始振蕩。但是，驅(qū)動電平過高（通常大于1毫瓦）會導致頻率偏移，長期頻率老化不良以及工作溫度范圍內(nèi)的頻率擾動。老齡化是用來描述漸進的一般術語。
•fs=系列諧振頻率=
•fa=反共振頻率=
•ΔF=頻率變化=
•C1=運動電容=
•L1=運動電感=
•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=負載電容
所有Cardinal石英晶體都有多種振動模式。如果響應與主模式一樣強，則寄生模式指的是不需要的模式。如果振蕩器在主軸上運行而不是主模式，則頻率輸出會發(fā)生變化。應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。
隨著時間的推移，晶體單元的工作特性惡化。許多因素導致這種惡化，例如內(nèi)部污染，過度驅(qū)動水平，電線疲勞，摩擦磨損和晶體坯料的表面腐蝕。制造過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，則晶體可以通過溫度循環(huán)或高溫老化延長一段時間進行預老化。
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