振動模式與驅動電平對晶振頻率的影響

來源：金洛鑫瀏覽：- 發布日期：2019-03-20 11:10:11【大中小】

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雖然一提起頻率控制元器件，大家最先反應的是石英晶體和石英振蕩器，然而這個類目并不是只有晶振一種產品，陶瓷諧振器，陶瓷濾波器，聲表面濾波器，聲表面諧振器，陶瓷霧化片，微孔霧化片等都屬于頻率元件。其中晶振和濾波器是電子產品電路板上，比較常用的兩種頻率元件，所以今天我們也是重點討論石英晶振與SAW濾波器的驅動電平，運動模式的特性原理，以及二者對頻率的影響，此份資料有助于工程師更好的使用和選擇符合好用的頻率控制元件，可仔細閱讀，有任何疑問都可以聯系金洛鑫電子。

隨著驅動電平（通過晶體的電流）增加，晶體的振動幅度也增加，并且由石英的非線性引起的影響變得更加明顯。依賴于驅動電平的許多屬性中的一些屬性是共振頻率，運動電阻RI，相位噪聲，頻率與溫度異常（稱為活動驟降）和頻率跳變，本章的其他章節對此進行了討論。共振頻率的驅動電平依賴性，稱為幅頻效應，如圖10所示。驅動電平的頻率變化與驅動電流的平方成正比;系數取決于諧振器設計。由于頻率的驅動電平依賴性，最高穩定性的振蕩器通常包含某種形式的自動電平控制，以最小化由于石英晶體振蕩器電路變化引起的頻率變化。在高驅動水平下，非線性效應也會導致電阻增加。當晶體表面具有諸如劃痕和微粒污染之類的缺陷時，晶體也會表現出異常高的起始電阻。在這種情況下，低驅動電平的電阻可以足夠高，以使振蕩器在通電時無法啟動。電阻的驅動電平依賴性如圖11所示。除了非線性效應之外，高驅動電平還會由于有源中的能量耗散引起的溫度升高而導致頻率變化。諧振器的區域。大約1kHz至500MHz的頻率范圍內可提供大聲波（BAW）石英諧振器。表面聲波（SAW）石英。

晶體電流（@安培）

圖10.驅動電平對頻率的依賴性

圖11.晶體單元電阻的驅動電平依賴性

圖12.石英諧振器的振動模式

諧振器的范圍約為150MHz至1.5GHz。為了覆蓋寬范圍的頻率，使用不同的切割-以各種模式振動。體波運動模式如圖12所示.AT切割和SC切割晶體以厚度剪切模式振動。盡管所需的厚度剪切模式通常表現出最低的電阻，但即使是適當設計的晶體單元的模式光譜也表現出高于主模式的不需要的模式。不需要的模式，也稱為sp~vio模式或雜散，在聲表面濾波器中尤其麻煩，其中采用能量捕獲規則來最大化對不需要的模式的抑制。這些規則指定某些電極幾何形狀以建立幾何關系。在振蕩器晶體中，通過提供足夠大的板直徑與電極直徑比，或通過輪廓（即，在板的一側或兩側上產生球形曲率），可以充分地抑制不需要的模式。

高于1MHz，貼片晶振通常使用AT切割。對于高精度應用，SC切割具有優于AT切割的重要優勢.AT切割和SC切割晶體可以制造用于基本模式操作，頻率高達約300MHz。（高于1GHz的單位是在實驗基礎上生產的。）高于100MHz，泛音單位在a。

通常使用選定的諧波振動模式，盡管可以通過化學拋光（蝕刻）技術制造高于100MHz的基模單元。低于1MHz，可以使用調諧叉，X-Y和NT條（彎曲模式），+5“X切割（拉伸模式），或CT切割和DT切割單元（面剪切模式）。由于體積小，成本低，調諧叉已經成為低頻單元的主導類型。每年為全球手表市場和其他應用生產大量的音叉晶體（~10~）。這些調音叉必須小巧，低成本，堅固耐用，穩定（作為溫度，時間和沖擊的函數），并且必須允許較長的電池壽命。在32.768K晶振（215Hz）下工作的調諧叉滿足要求。該頻率是尺寸，功率要求（即電池壽命），穩定性和制造成本之間的折衷。例如，在模擬手表中，32.768KHz被除以15倍，產生每秒1脈沖的輸出。這些脈沖驅動步進電機，每秒鐘將秒針推進6英寸（即，圓的1/60）。

圖13（a）石英的自然結構和晶軸;（b）音叉相對于晶體軸的方向;（c）音叉的彎曲振動模式。

SAW濾波器和石英晶體的應用范圍相似，但并不完全相同，這兩種電子零件可以同時出現在同一個電路板上，也可能只存在其中一個。但也有不少共同點，比較說濾波器和晶體的材料都具有壓電效應，甚至是同一種材料制成的，濾波器的工作原理是將電波輸入的信號轉變成機械動能，作用是過濾多余的雜波和抗信號干擾；晶振同是把直流電轉換為機械能，依靠自身的頻率振蕩特性帶動其他電子元件工作。所以從功能作用上看，晶振的作用和用處似乎更勝一籌，所以市場的需求量，使用次數也比較多。

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