技術(shù)交流 / Technical Exchange
◎ 什么是負性阻抗( Negative Resistance)?如何測試判定?
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負性阻抗是來判斷振蕩電路穩(wěn)定性的一個參數(shù),如果負性阻抗太小,那么當振蕩器隨著老化,溫度,電壓的變化將受到很大的影響.
負性阻抗的測試電路和步驟如下:
測試電路:測試步驟：
將可調(diào)電阻與石英晶體串聯(lián)接入回路
調(diào)節(jié)Vr使回路起振或停振
當回路剛停振時測試Vr
得到負性阻抗值│-R│= R1+Vr?
R1: 晶體的阻抗值
Vr: 可變電阻
推薦負性阻抗值│-R│> 10*R1?
◎ 石英晶體的壓電特性
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石英材料中的二氧化硅分子(SiO2) 在正常狀態(tài)下, 其電偶極是互相平衡的電中性. 在(圖二左)的二氧化硅是以二維空間的簡化圖形. 當我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予正電場及負電場時, 空間系統(tǒng)為了維持電位平衡, 兩個氧原子會相互排斥, 在氧原子下方形成一個感應正電場區(qū)域, 同時在硅原子上方產(chǎn)生感應負電場區(qū)域. 相反的情況, 當我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予負電場及正電場時, 兩個氧原子會相互靠近, 氧原子下方產(chǎn)生感應負電場,硅原子上方產(chǎn)生感應正電場. (圖二). 然而, 氧原子的水平位置變化時, 鄰近的另一個氧原子會相對的產(chǎn)生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原來的空間位置. 因此, 電場的力量與原子之間的力量會相互牽動, 電場的改變與水平方向的形變是形成交互作用狀態(tài). 這個交互作用會形成一個在石英材料耗能最小的振動狀態(tài), 祇要由電場持續(xù)給與能量, 石英材料就會與電場之間維持一個共振的頻率. 這個壓電效應下氧原子的振幅與電場強度及電場對二氧化硅的向量角度有相對應的關(guān)系.在實際的應用上, 電場是由鍍在石英芯片上的金屬電極產(chǎn)生, 電場與二氧化硅的向量角度則是由石英晶棒的切割角度來決定.
◎ 石英晶體與頻率控制組件
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石英是由硅原子和氧原子組合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32點群的六方晶系形成的單結(jié)晶結(jié)構(gòu)﹝圖一﹞.單結(jié)晶的石英晶體結(jié)構(gòu)具有壓電效應特性, 當施加壓力在晶體某些方向時, 垂直施力的方向就會產(chǎn)生電氣電位. 相對的當以一個電場施加在石英晶體某些軸向時, 在另一些方向就會產(chǎn)生變形或振動現(xiàn)象. 掌握單結(jié)晶石英材料的這種壓電效應, 利用其發(fā)生共振頻率的特性, 發(fā)揮其精確程度作為各類型頻率信號的參考基準, 就是水晶震蕩器的設(shè)計與應用. 因為石英晶體具有很高的材料Q值,所以絕大部份的頻率控制組件,如共振子及振蕩器,都以石英材料為基礎(chǔ). 以石英為基礎(chǔ)的頻率控制組件可以依其壓電振動的屬性, 可以分為體波(bulk wave)振動組件及表面聲波(surface acoustic wave)振動組件. 體波振動組件如石英晶體共振子, 石英晶體濾波器及石英晶體振蕩器, 表面波振動組件如表面波濾波器及表面波共振子. 當石英晶體以特定的切割方式, 以機械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通稱的石英芯片(quartz wafer 或 quartz blank ). 將這個石英芯片放置在真空還境中, 于表面鍍上電極后,再以導電材料固定在金屬或是陶瓷基座上, 并加以封裝, 就成為一般所謂的石英晶體共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振時的低阻抗特性及波的重迭特性, 用鄰近的雙電極, 可以做出石英晶體濾波器. 將石英振蕩子加上不同的電子振蕩線路, 可以做成不同特性的石英振蕩器. 例如: 石英頻率振蕩器(CXO), 電壓控制石英晶體振蕩器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 溫度補償石英晶體振蕩器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒溫槽控制石英晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相對于體波諧振的是表面聲波的諧振. 將石英晶體表面鍍以叉狀電極(inter-digital-transducer, IDT)方式所產(chǎn)生的表面振蕩波, 可以制造出短波長(高頻率)諧振的表面聲波共振子(SAW Resonator)或表面聲波濾波器(SAW Filter).
◎ 什么是激勵功率Drive Level(DL)?怎么來確定激勵功率?
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激勵功率就是晶體工作時消耗的功率
有兩種計算方法來確定
6.1.用高頻電流探頭測試晶體工作電流后來計算,如下各式
DL= I^2 * RL
RL= RR(晶體阻抗)*(1+C0/CL)^2,
C0: 靜電容
CL: 負載電容
晶體電流的測試是用一個電流探頭來測定,該方法相對簡單.
6.2.用高阻電壓探頭測試振蕩信號幅度后計算,如下各式:
DL=P=(V^2)*R/(Z^2)
其中V=(Vppout+Vppin)/2*2^0.5
Z=(R^2+X^2)^0.5
R=R1*(1+C0/CL)^2
X=1/ωCL
◎ 什么是晶體振蕩器的三態(tài)?
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振蕩器的輸出被一個三態(tài)控制端所控制,當控制端是低電平時輸出端將呈現(xiàn)高阻,當三態(tài)端是高電平時輸出端才會有頻率和波形輸出
◎ 什么是負載電容? 一個諧振器的標稱負載(CL)是20pF, 在并聯(lián)諧振電路中怎樣計算實際使用的負載電容值是多少?
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CL 是 Load Capacitance縮寫. 負載電容的定義是:在振蕩電路中晶體兩腳之間所有的等效電容量之和.在通常情況下IC廠家在規(guī)格書中都會給出推薦的晶體匹配電容.
如圖中可以采用以下公式近似地來計算所需的電容值:
CL=((C1 x C2) / (C1 + C2)) + Cs
Cs 是電路的雜散電容,一般是1~5pF,當CL是20pF時,C1和C2的值大概是30~39pF.
◎ 石英晶體產(chǎn)品的用途是什么?
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晶體諧振器應用于計算機/接口卡/電話/尋呼機/遙控器/GPS/音頻/視頻產(chǎn)品上
振蕩器主要應用于計算機/GPS/音頻/視頻產(chǎn)品上
VCXO主要應用于調(diào)制解調(diào)器/無線基站/程控交換機
TCXO/VCTCXO主要應用于手機/無線基站/精密儀器/GPS
濾波器主要應用于手機/無線收發(fā)機
◎ 什么是PPM? 怎樣計算PPM值?
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PPM 是百萬分之一. PPM 是實際頻率和標稱頻率的比 .
例如標稱頻率是20 .000000MHz,實際頻率是20.000210 MHz,那么頻率偏差ppm=(20.000210-20)/20*1000000=10.5ppm
◎ 什么是XO, VCXO , TCXO,OCXO?
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XO 是普通的晶體振蕩器,沒有溫度補償或電壓控制來微調(diào)輸出頻率,溫頻特性主要是晶體本身造成的.
VCXO 壓控晶體振蕩器是有一個腳可以外接電壓來微調(diào)輸出頻率的振蕩器.
TCXO 是一種內(nèi)部具有溫度補償電路的晶體振蕩器,當工作溫度發(fā)生變化時輸出頻率具有很好的穩(wěn)定性
