石英晶體諧振器(通常稱(chēng)為“晶體”)廣泛用于頻率控制應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兙哂懈逹值,穩(wěn)定性,小尺寸和低成本的無(wú)與倫比的組合.已經(jīng)研究了許多不同的物質(zhì)作為可能的諧振器材料,但是多年來(lái),石英諧振器在滿(mǎn)足精確頻率控制的需求方面是優(yōu)選的.與其他諧振器,例如LC電路,諸如調(diào)諧叉的機(jī)械諧振器,以及基于壓電陶瓷諧振器或其他單晶材料相比,石英諧振器具有獨(dú)特的性能組合.

  首先,單晶石英的材料特性隨時(shí)間,溫度和其他環(huán)境變化非常穩(wěn)定,并且從一個(gè)樣品到另一個(gè)樣品具有高度可重復(fù)性.石英的聲學(xué)損耗或內(nèi)部摩擦非常低,直接導(dǎo)致石英諧振器的關(guān)鍵特性之一,其極高的Q因子.石英的固有Q在1MHz時(shí)約為107.安裝的諧振器通常具有從數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)的Q因子,其比最佳LC電路好幾個(gè)數(shù)量級(jí).

  石英晶振的第二個(gè)關(guān)鍵特性是其相對(duì)于溫度變化的穩(wěn)定性.取決于晶體坯料的形狀和取向,可以使用許多不同的振動(dòng)模式,并且可以通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇將石英諧振器的頻率-溫度特性控制在接近的極限內(nèi).最常用的諧振器類(lèi)型是AT切割,其中石英坯料是薄板形式,切割成與晶體光軸成約35°15'的角度.

  石英諧振器的第三個(gè)基本特征與其機(jī)械性能的穩(wěn)定性有關(guān).商業(yè)單位可以很容易地獲得短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性,這種穩(wěn)定性表現(xiàn)為頻率漂移,每年僅百萬(wàn)分之幾.在嚴(yán)格控制條件下制造的精密晶體單元在頻率穩(wěn)定性和精度方面僅次于原子鐘.

石英板方位

  石英諧振器由適當(dāng)安裝和金屬沉積的晶振石英板組成,使用體聲波（BAW）振動(dòng).最初石英板是由天然石英制成的,但今天幾乎只使用培養(yǎng)石英.板（也稱(chēng)為晶片或坯料）相對(duì)于石英材料的晶軸以精確的取向制造.取向或“切割”決定了諧振器的頻率-溫度特性和其他重要特性.

  以上是從用于制造AT切割諧振器的Y取向晶種生長(zhǎng)的培養(yǎng)壓電石英晶體的示意圖.晶種建立初始晶體取向并且以Z軸為代價(jià)促進(jìn)Y方向上的生長(zhǎng).仔細(xì)選擇晶種以避免隨晶體生長(zhǎng)而可能傳播的缺陷.指示晶種的位置.從x軸向左傾斜的線(xiàn)標(biāo)記AT板的鋸切位置,向右傾斜的線(xiàn)表示BT切割.在實(shí)踐中,這些角度非常關(guān)鍵,并且使用布拉格X射線(xiàn)衍射精確確定.

振動(dòng)模式

  與所有板一樣,石英板具有多種振動(dòng)模式.振動(dòng)有三種基本模式,如下圖所示.

（a）彎曲模式(彎曲或彎曲);切割:5°X,NT;頻率~100kHz.

（b）伸展模式(沿著板的長(zhǎng)度移位);削減:MT,GT;頻率:40-200kHz.

（c）剪切模式(沿相反方向滑動(dòng)兩個(gè)平行平面).此模式細(xì)分為:

面剪;削減:CT,DT;頻率:100-600kHz.

  厚度剪切;削減:AT,BT,SC;頻率:1-30MHz(基本模式);30-90MHz(3次諧波泛音模式);60-150MHz(5次諧波泛音模式);等等

  適當(dāng)定向的電極激發(fā)所需的振動(dòng)模式.雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量不同的切口,但是一些僅在低頻下使用,而另一些則用于頻率控制以外的應(yīng)用,還有一些已經(jīng)被后來(lái)的開(kāi)發(fā)所淘汰.除了石英鐘表中使用的低頻音叉諧振器之外,當(dāng)今應(yīng)用中的幾乎所有石英諧振器都使用厚度剪切模式.頻率高于約1MHz時(shí),主要使用AT切割和SC切割.對(duì)于低于約1MHz的頻率,厚度模式諧振器由于尺寸通常變得不實(shí)用,因?yàn)槊髦睆奖仨氝h(yuǎn)大于厚度.

AT-和SC-切割諧振器頻率

  厚度剪切諧振器的基頻與其厚度成反比.晶體坯越薄,頻率越高.在第3,第5等諧波泛音中存在額外的共振,其頻率是基本共振頻率的近似但不精確的奇數(shù)倍.諧振器通常被設(shè)計(jì)成優(yōu)化這些諧振中的一個(gè)或另一個(gè)的特性,例如基波或第三泛音,但是其他泛音必然仍然存在.AT切割通常在1MHz至250MHz及以上的頻率范圍內(nèi)制造,并且在此范圍內(nèi)通常是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇.然而,AT切割對(duì)諧振器主體中的應(yīng)力敏感,無(wú)論是由于快速外部溫度變化引起的溫度梯度,或外部力量.對(duì)于需要極端穩(wěn)定性的應(yīng)用,這種應(yīng)力靈敏度是一個(gè)缺點(diǎn),并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割,例如SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.

  SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.對(duì)于需要極端穩(wěn)定性的應(yīng)用,這種應(yīng)力靈敏度是一個(gè)缺點(diǎn),并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割,例如SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.

  SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.對(duì)于需要極端穩(wěn)定性的應(yīng)用,這種應(yīng)力靈敏度是一個(gè)缺點(diǎn),并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的貼片晶振切割,例如SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割,以最小化這些影響.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.

  SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割,例如SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割,以最大限度地減少這些影響.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割,例如SC(應(yīng)力補(bǔ)償)切割,以最大限度地減少這些影響.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.

  SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一(相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體).家族中的其他人包括IT切割和FC切割.SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償.SC切割也是厚度模式諧振器,因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得,但是由于制造工藝?yán)щy,其商業(yè)可用性受到更多限制.

等效電路

  石英晶體諧振器是一種機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng),通過(guò)壓電效應(yīng)與電氣世界相連.它由帶有金屬鍍層的石英板（電極）組成,它位于石英板的兩側(cè),并連接到晶體封裝上的絕緣引線(xiàn).雖然該裝置的理論分析是一種相對(duì)復(fù)雜的機(jī)電功能,但它可以用諧振頻率附近的簡(jiǎn)單等效電路表示,如下所示:

石英晶體諧振器的等效電路

  被稱(chēng)為“分流”或靜電電容的C0是由于晶體板上的電極加上由于晶體外殼引起的雜散電容而產(chǎn)生的電容.無(wú)論晶體板是否振蕩,都存在分流電容（與石英的壓電效應(yīng)無(wú)關(guān)）.電路的R,C1和L1部分被稱(chēng)為“運(yùn)動(dòng)臂”,其由晶體的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生.R代表等效的運(yùn)動(dòng)臂阻力;C1表示石英的運(yùn)動(dòng)電容;L1是運(yùn)動(dòng)電感,是質(zhì)量的函數(shù).C0到C1比率是存儲(chǔ)在晶體中的電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換的量度,即壓電耦合因子k.C0/C1隨著泛音數(shù)的平方而增加.當(dāng)直流電壓施加到諧振器的電極時(shí),電容比C0/C1也是由電極形成的電容器中存儲(chǔ)的電能與由晶體管中彈性存儲(chǔ)的能量的比率的量度.由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的晶格應(yīng)變.

  當(dāng)使用大多數(shù)晶體諧振器時(shí),由于C1和L1之間的絕對(duì)相關(guān)性,僅需要指定一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量或另一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量(對(duì)于給定的串聯(lián)諧振頻率,C1*L1是恒定的).行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是僅指定適當(dāng)?shù)腃1值.當(dāng)在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí),C1的實(shí)際值具有物理限制.這些限制包括石英切割,機(jī)械設(shè)計(jì),操作模式和晶體諧振器的標(biāo)稱(chēng)頻率.

  雖然等效電路看起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單,但確定用于描述諧振器等效電路特性的幾個(gè)特征頻率卻令人驚訝地復(fù)雜.在大多數(shù)情況下,使用簡(jiǎn)單的近似值.以下符號(hào)可用于確定其中一些頻率.

Fs（串聯(lián)共振頻率）=1/[2p（L1C1）1/2]

Fp（并聯(lián)諧振頻率）=fs[1+1/（2g）]

g（電容比）=2pfsC0/C1

Q（品質(zhì)因數(shù)）=2pfsL1/R1

M（品質(zhì)因數(shù)）=Q/g

系列與并行共振

  由fs定義的振蕩發(fā)生的頻率稱(chēng)為串聯(lián)諧振頻率.下面顯示的晶體的電抗/阻抗曲線(xiàn)顯示出發(fā)生機(jī)械共振的位置.

  串聯(lián)諧振發(fā)生在曲線(xiàn)過(guò)零點(diǎn).此時(shí),晶體在電路中呈現(xiàn)電阻,阻抗最小,電流最大.隨著頻率增加超過(guò)串聯(lián)諧振點(diǎn),晶體在電路中看起來(lái)是電感性的.當(dāng)運(yùn)動(dòng)電感和并聯(lián)電容的電抗抵消時(shí),晶體處于稱(chēng)為反共振頻率的頻率,表示為(fp).此時(shí),阻抗最大化并且電流最小化.fp處的晶體頻率本質(zhì)上是不穩(wěn)定的,不應(yīng)該選擇振蕩器的工作頻率.fs和fp之間的區(qū)域通常稱(chēng)為“并行共振區(qū)域”.通過(guò)向晶體串聯(lián)添加負(fù)載電容可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)諧振,從而產(chǎn)生由以下因素確定的正頻移:

dF=F小號(hào)c^1/2(C^0+C大號(hào))

  等效電路中不可避免的Co存在產(chǎn)生這種反共振,有時(shí)也稱(chēng)為并聯(lián)共振.在這方面,r=C0/C1是重要的諧振器參數(shù),因?yàn)樗c諧振和反諧振之間的間隔成反比,從而確定濾波器中的最大帶寬和振蕩器中的調(diào)諧范圍.

言外之意

  石英晶體在幾種同時(shí)諧振模式下自然振動(dòng),這些諧振模式稱(chēng)為基波或泛音模式.通常,這些模式中的一個(gè)被設(shè)計(jì)成在期望的工作頻率下占主導(dǎo)地位.振動(dòng)的基本頻率是諧振器物理尺寸和切割角度的函數(shù).泛音模式在基本模式的奇數(shù)諧波,并包括3次,5次,7次,9次,11次.濾波器中可獲得的最大帶寬和振蕩器中的最大調(diào)諧范圍與電容比成反比,r=Co/C1,r隨著泛音的平方增加.因此,使用基模諧振器可以獲得比具有第三或更高泛音的更寬帶寬或更大的調(diào)諧范圍.基本模式諧振器用于大多數(shù)濾波器,溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)和壓控振蕩器（VCXO）,其中所需的帶寬或調(diào)諧范圍使得泛音設(shè)備不合需要.基本原理也用于許多簡(jiǎn)單的振蕩器,例如頻率高達(dá)約35MHz的時(shí)鐘振蕩器.在較高頻率下,泛音對(duì)于該應(yīng)用來(lái)說(shuō)更經(jīng)濟(jì).

  目前的晶體制造工藝限制了石英板的研磨,使得可靠地實(shí)現(xiàn)的最高基模頻率通常約為45MHz.在該頻率下,AT切割石英板的厚度小于0.037mm,并且使用常規(guī)技術(shù)進(jìn)一步研磨是不實(shí)際的.已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種方法來(lái)通過(guò)從板的中心去除一些石英質(zhì)量來(lái)增加可實(shí)現(xiàn)的基本模式頻率.這種所謂的“倒置臺(tái)面”提供了更薄的有源區(qū)域,并且通常通過(guò)化學(xué)或等離子體/離子蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn).這些工藝可以產(chǎn)生高質(zhì)量的高頻基波(HFF)模式晶體,達(dá)到170MHz甚至更高.基本模式晶體通常具有比相同頻率的泛音模式晶體更大的C1值;因此,它們對(duì)于需要更高可牽引性的VCXO等應(yīng)用非常有用.高頻基本石英空白也廣泛用于濾波器應(yīng)用,其中它們提供比相同頻率的泛音晶體更好的寄生模式響應(yīng).

  在給定的工作頻率下,石英晶體老化和Q隨著更高的泛音而改善.出于這個(gè)原因,烤箱振蕩器OCXO晶振經(jīng)常使用泛音諧振器.通常使用第3或第5泛音.適應(yīng)諧振器頻率容差和老化特性所需的調(diào)諧范圍限制了最大有用泛音.