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Quartz石英振盪器

   
基本原理
當外部給一試體撞擊時,撞擊後立即產生短暫的振盪,不久之後,又回復原有之靜止狀態,此項自由振盪的頻率,即稱之為諧振頻率。在一具有兩個平行表面之薄板中,當有與板面平行之平面波存在時,則該波即在兩端面處來回反射。板之厚度若為來回反射波之半波長的整數倍時,則來回之平面波相位一致,形成駐波而使板面振幅增大。當板厚度為平面波的半波長時,即是厚度剪切模態的基頻 (fundamental thickness-shear mode)。
石英晶片本身為一壓電材料 (piezoelectric material),利用外電壓加於晶片的兩側產生電場,由於壓電材料本身之機械與電性耦合作用,使晶體本身產生機械變形,由晶體的切割面受到機械應力的作用,晶體的兩相對面又會產生一電位差。當在壓電晶體上下兩面加上交流電壓,如下圖所示,在y切面石英平板之x-z平面上蒸鍍電極,即可產生循環不已之晶片振盪。
振盪之頻率會依晶體之厚度不同而異,石英晶體切割片愈薄,切割技術愈困難,但諧振頻率愈高。
石英平板配置圖
y切面石英平板配置圖(長度為2a)(極化方向為y軸方向)
等效電路模擬
通常振盪器可以利用電容(C)、電感(L)及電阻(R)之等效電路來模擬,利用阻抗之匹配得到其頻率關係圖。藉此電路之模擬可看出振盪的效果。其等效電路之示意圖如下,
等效電路
在真實的晶體振盪中,有許多的操作狀態會造成頻率的改變,包括:操作溫度、電容的負載 (Load Capacitance)、驅動標準 (Drive Level)。通常頻率的穩定性和石英基板的切向、角度、操作模態及石英之尺寸有關。 在上圖的電路模擬中有兩個共振頻率。石英晶體展現了串聯和並聯的共振(如左下圖所示)。石英晶體的阻抗和操作頻率又有如右下圖之關係。 石英晶體的阻抗和操作頻率
等效電路模擬
厚度剪切基頻 ( TSf ) 厚度扭轉模態 三倍頻模態 ( TS3 )
厚度剪切基頻 ( TSf ) 厚度扭轉模態 厚度扭轉模態
在什麼樣的情況下 X'tal 可取代 OSC, 須具備哪些條件?
【確認原迴路】
  首先這顆CHIP SET 的OSC INPUT的條件是否符合更換,也就是說這顆CHIP SET 是否具備震盪迴路的基礎元件.而這些元件必須要有一只反向器,一個緩衝器(也可由兩顆反向器來構裝成一個緩衝器),這是最基本的起振的主動元件.這點可以由CHIP SET DATA SHEET上得知,或由CHIP SET 的OSC PIN 上確認知道,OSC INTPUT 若為2 PIN ,其標示為Xin and Xout這樣就表示內部已經有起振的主動元件.反之,僅有1個input 那就需要外加振盪迴路. 上述主動元件為必須外,另外需要幾顆被動件兩只電阻加上兩只電容若是X’TAL 是三倍頻那就要另外再加上ㄧ只電容和ㄧ只電感,這兩顆的數值會和振盪的頻率而改變.
【XTAL的各項電氣參數】 
  • 確定X’TAL Frequency Tolerance.
  • X’TAL Blank的切割角度 : 會影響不同工作溫度下頻率的偏移量
  • 電極面的大小 : 會影響內阻抗(RR)及副波(Spurious)特性.
      內部的阻抗引起的因素有下列幾項:
    • 晶片表面平行度
    • 晶片表面粗度
    • 晶片表面污染
    • Base的選擇
    • 銀膠接著劑的選擇
    • 點膠大小及位置
    • 蒸鍍量的大小
    • 微調量大小
    • 電極面大小微調面大小
    • 固定晶片時Base支架的形狀
    • 封焊條件
    • N2純度及含量
  • DLD2,FLD2,RLD2 : 會影響電氣特性的穩定性..
【建議】
  • 在成本方面
    • 因OSC與XTAL使用不同搭配的Chip Set ,故在Chip Set的價格也有所差距
    • OSC內部使用的IC以整合了XTAL匹配迴路中的XTAL*1pcs,電容*2pcs,電阻*2pcs,反向器*1pcs,緩衝器*1,故若以XTAL替換OSC需做所需材料清單的價格精算,以求最具經濟效益的成本
  • 在整合技術方面
    • OSC直接在PCB板上運用,調整頻率
    • XTAL需做振盪迴路中負載電容Cg,Cd的匹配組合,以求取正確的頻率輸出
    • OSC 的輸出為方波 XTAL 為正玄波
    • OSC 輸出的強度以電壓為位準
 

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