技术交流 / Technical Exchange
◎ 什么是负性阻抗( Negative Resistance)?如何测试判定?
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负性阻抗是来判断振荡电路稳定性的一个参数,如果负性阻抗太小,那么当振荡器随着老化,温度,电压的变化将受到很大的影响.
负性阻抗的测试电路和步骤如下:
测试电路:测试步骤：
将可调电阻与石英晶体串联接入回路
调节Vr使回路起振或停振
当回路刚停振时测试Vr
得到负性阻抗值│-R│= R1+Vr?
R1: 晶体的阻抗值
Vr: 可变电阻
推荐负性阻抗值│-R│> 10*R1?
◎ 石英晶体的压电特性
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石英材料中的二氧化硅分子(SiO2) 在正常状态下, 其电偶极是互相平衡的电中性. 在(图二左)的二氧化硅是以二维空间的简化图形. 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予正电场及负电场时, 空间系统为了维持电位平衡, 两个氧原子会相互排斥, 在氧原子下方形成一个感应正电场区域, 同时在硅原子上方产生感应负电场区域. 相反的情况, 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时, 两个氧原子会相互靠近, 氧原子下方产生感应负电场,硅原子上方产生感应正电场. (图二). 然而, 氧原子的水平位置变化时, 邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原来的空间位置. 因此, 电场的力量与原子之间的力量会相互牵动, 电场的改变与水平方向的形变是形成交互作用状态. 这个交互作用会形成一个在石英材料耗能最小的振动状态, 祇要由电场持续给与能量, 石英材料就会与电场之间维持一个共振的频率. 这个压电效应下氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化硅的向量角度有相对应的关系.在实际的应用上, 电场是由镀在石英芯片上的金属电极产生, 电场与二氧化硅的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定.
◎ 石英晶体与频率控制组件
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石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构﹝图一﹞.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件. 体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或 quartz blank ). 将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相对于体波谐振的是表面声波的谐振. 将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).
◎ 什么是激励功率Drive Level(DL)?怎么来确定激励功率?
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激励功率就是晶体工作时消耗的功率
有两种计算方法来确定
6.1.用高频电流探头测试晶体工作电流后来计算,如下各式
DL= I^2 * RL
RL= RR(晶体阻抗)*(1+C0/CL)^2,
C0: 静电容
CL: 负载电容
晶体电流的测试是用一个电流探头来测定,该方法相对简单.
6.2.用高阻电压探头测试振荡信号幅度后计算,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
◎ 什么是晶体振荡器的三态?
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振荡器的输出被一个三态控制端所控制,当控制端是低电平时输出端将呈现高阻,当三态端是高电平时输出端才会有频率和波形输出
◎ 什么是负载电容? 一个谐振器的标称负载(CL)是20pF, 在并联谐振电路中怎样计算实际使用的负载电容值是多少?
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CL 是 Load Capacitance缩写. 负载电容的定义是:在振荡电路中晶体两脚之间所有的等效电容量之和.在通常情况下IC厂家在规格书中都会给出推荐的晶体匹配电容.
如图中可以采用以下公式近似地来计算所需的电容值:
CL=((C1 x C2) / (C1 + C2)) + Cs
Cs 是电路的杂散电容,一般是1~5pF,当CL是20pF时,C1和C2的值大概是30~39pF.
◎ 石英晶体产品的用途是什么?
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晶体谐振器应用于计算机/接口卡/电话/寻呼机/遥控器/GPS/音频/视频产品上
振荡器主要应用于计算机/GPS/音频/视频产品上
VCXO主要应用于调制解调器/无线基站/程控交换机
TCXO/VCTCXO主要应用于手机/无线基站/精密仪器/GPS
滤波器主要应用于手机/无线收发机
◎ 什么是PPM? 怎样计算PPM值?
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PPM 是百万分之一. PPM 是实际频率和标称频率的比 .
例如标称频率是20 .000000MHz,实际频率是20.000210 MHz,那么频率偏差ppm=(20.000210-20)/20*1000000=10.5ppm
◎ 什么是XO, VCXO , TCXO,OCXO?
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XO 是普通的晶体振荡器,没有温度补偿或电压控制来微调输出频率,温频特性主要是晶体本身造成的.
VCXO 压控晶体振荡器是有一个脚可以外接电压来微调输出频率的振荡器.
TCXO 是一种内部具有温度补偿电路的晶体振荡器,当工作温度发生变化时输出频率具有很好的稳定性
