技術(shù)交流 / Technical Exchange
◎ 什么是負(fù)性阻抗( Negative Resistance)?如何測試判定?
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負(fù)性阻抗是來判斷振蕩電路穩(wěn)定性的一個(gè)參數(shù),如果負(fù)性阻抗太小,那么當(dāng)振蕩器隨著老化,溫度,電壓的變化將受到很大的影響.
負(fù)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(dāng)回路剛停振時(shí)測試Vr
得到負(fù)性阻抗值│-R│= R1+Vr?
R1: 晶體的阻抗值
Vr: 可變電阻
推薦負(fù)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(dāng)我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予正電場及負(fù)電場時(shí), 空間系統(tǒng)為了維持電位平衡, 兩個(gè)氧原子會相互排斥, 在氧原子下方形成一個(gè)感應(yīng)正電場區(qū)域, 同時(shí)在硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場區(qū)域. 相反的情況, 當(dāng)我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予負(fù)電場及正電場時(shí), 兩個(gè)氧原子會相互靠近, 氧原子下方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場,硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)正電場. (圖二). 然而, 氧原子的水平位置變化時(shí), 鄰近的另一個(gè)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(dòng), 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(gè)交互作用會形成一個(gè)在石英材料耗能最小的振動(dòng)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(gè)共振的頻率. 這個(gè)壓電效應(yīng)下氧原子的振幅與電場強(qiáng)度及電場對二氧化硅的向量角度有相對應(yīng)的關(guān)系.在實(shí)際的應(yīng)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(diǎn)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(yīng)特性, 當(dāng)施加壓力在晶體某些方向時(shí), 垂直施力的方向就會產(chǎn)生電氣電位. 相對的當(dāng)以一個(gè)電場施加在石英晶體某些軸向時(shí), 在另一些方向就會產(chǎn)生變形或振動(dòng)現(xiàn)象. 掌握單結(jié)晶石英材料的這種壓電效應(yīng), 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(zhǔn), 就是水晶震蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 因?yàn)槭⒕w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(dòng)的屬性, 可以分為體波(bulk wave)振動(dòng)組件及表面聲波(surface acoustic wave)振動(dòng)組件. 體波振動(dòng)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(dòng)組件如表面波濾波器及表面波共振子. 當(dāng)石英晶體以特定的切割方式, 以機(jī)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(gè)石英芯片放置在真空還境中, 于表面鍍上電極后,再以導(dǎo)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(shí)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(bǔ)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(lì)功率Drive Level(DL)?怎么來確定激勵(lì)功率?
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激勵(lì)功率就是晶體工作時(shí)消耗的功率
有兩種計(jì)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(jì)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(fù)載電容
晶體電流的測試是用一個(gè)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(jì)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(gè)三態(tài)控制端所控制,當(dāng)控制端是低電平時(shí)輸出端將呈現(xiàn)高阻,當(dāng)三態(tài)端是高電平時(shí)輸出端才會有頻率和波形輸出
◎ 什么是負(fù)載電容? 一個(gè)諧振器的標(biāo)稱負(fù)載(CL)是20pF, 在并聯(lián)諧振電路中怎樣計(jì)算實(shí)際使用的負(fù)載電容值是多少?
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CL 是 Load Capacitance縮寫. 負(fù)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(jì)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(dāng)CL是20pF時(shí),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(yīng)用于計(jì)算機(jī)/接口卡/電話/尋呼機(jī)/遙控器/GPS/音頻/視頻產(chǎn)品上
振蕩器主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)/GPS/音頻/視頻產(chǎn)品上
VCXO主要應(yīng)用于調(diào)制解調(diào)器/無線基站/程控交換機(jī)
TCXO/VCTCXO主要應(yīng)用于手機(jī)/無線基站/精密儀器/GPS
濾波器主要應(yīng)用于手機(jī)/無線收發(fā)機(jī)
◎ 什么是PPM? 怎樣計(jì)算PPM值?
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PPM 是百萬分之一. PPM 是實(shí)際頻率和標(biāo)稱頻率的比 .
例如標(biāo)稱頻率是20 .000000MHz,實(shí)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(bǔ)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(gè)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(bǔ)償電路的晶體振蕩器,當(dāng)工作溫度發(fā)生變化時(shí)輸出頻率具有很好的穩(wěn)定性
