Krystaloscillator - Crystal oscillator

Krystaloscillator

En miniature 16 MHz kvartskrystal indesluttet i en hermetisk forseglet HC-49/S-pakke, der bruges som resonator i en krystaloscillator.
Type	Elektromekanisk
Arbejdsprincip	Piezoelektricitet , resonans
Opfundet	Alexander M. Nicholson , Walter Guyton Cady
Første produktion	1918
Elektronisk symbol

En krystaloscillator er et elektronisk oscillator kredsløb, der bruger den mekaniske resonans af en vibrerende krystal af piezoelektrisk materiale til at skabe et elektrisk signal med en konstant frekvens . Denne frekvens bruges ofte til at holde styr på tiden, som i kvartsur , til at levere et stabilt ursignal til digitale integrerede kredsløb og til at stabilisere frekvenser for radiosendere og modtagere . Den mest almindelige type piezoelektrisk resonator, der bruges, er en kvartskrystal , så oscillatorkredsløb, der inkorporerede dem, blev kendt som krystaloscillatorer. Andre piezoelektriske materialer, herunder polykrystallinsk keramik, anvendes imidlertid i lignende kredsløb.

En krystaloscillator er afhængig af den lille ændring i form af en kvartskrystal under et elektrisk felt , en egenskab kendt som elektrostriktion eller omvendt piezoelektricitet . En spænding påført elektroderne på krystallen får den til at ændre form; når spændingen fjernes, genererer krystallen en lille spænding, da den elastisk vender tilbage til sin oprindelige form. Kvarts oscillerer ved en stabil resonansfrekvens og opfører sig som et RLC -kredsløb , men med en meget højere Q -faktor (mindre energitab ved hver oscillationscyklus). Når først en kvartskrystal er justeret til en bestemt frekvens (som påvirkes af massen af ​​elektroder fastgjort til krystallen, krystalets orientering, temperatur og andre faktorer), opretholder den frekvensen med høj stabilitet.

Kvartskrystaller fremstilles til frekvenser fra et par snes kilohertz til hundredvis af megahertz. Fra 2003 fremstilles omkring to milliarder krystaller årligt. De fleste bruges til forbrugerudstyr såsom armbåndsure , ure , radioer , computere og mobiltelefoner . Men i applikationer, hvor der er behov for lille størrelse og vægt, kan krystaller erstattes af tyndfilms bulk akustiske resonatorer , især hvis der er behov for højfrekvens (mere end cirka 1,5 GHz) resonans. Kvartskrystaller findes også inde i test- og måleudstyr, såsom tællere, signalgeneratorer og oscilloskoper .

Terminologi

Kvarts krystalresonator (venstre) og kvartskrystaloscillator (højre)

En krystaloscillator er et elektronisk oscillator kredsløb, der bruger en piezoelektrisk resonator, en krystal, som dets frekvensbestemmende element. Krystal er det almindelige udtryk, der bruges i elektronik til den frekvensbestemmende komponent, en skive af kvartskrystal eller keramik med elektroder forbundet til den. Et mere præcist udtryk for det er piezoelektrisk resonator . Krystaller bruges også i andre typer elektroniske kredsløb, såsom krystalfiltre .

Piezoelektriske resonatorer sælges som separate komponenter til brug i krystaloscillator kredsløb. Et eksempel er vist på billedet. De er også ofte inkorporeret i en enkelt pakke med krystaloscillator kredsløbet, vist på højre side.

Historie

100 kHz krystaloscillatorer ved US National Bureau of Standards, der tjente som frekvensstandard for USA i 1929

Meget tidlige Bell Labs -krystaller fra Vectron International Collection

Piezoelektricitet blev opdaget af Jacques og Pierre Curie i 1880. Paul Langevin undersøgte først kvartsresonatorer til brug i sonar under 1. verdenskrig. Den første krystalstyrede oscillator , der brugte en krystal af Rochellesalt , blev bygget i 1917 og patenteret i 1918 af Alexander M. Nicholson på Bell Telephone Laboratories , selvom hans prioritet blev bestridt af Walter Guyton Cady . Cady byggede den første kvartskrystaloscillator i 1921. Andre tidlige innovatører inden for kvartskrystaloscillatorer omfatter GW Pierce og Louis Essen .

Kvartskrystaloscillatorer blev udviklet til højstabilitetsfrekvensreferencer i 1920'erne og 1930'erne. Før krystaller kontrollerede radiostationer deres frekvens med afstemte kredsløb , som let kunne svække frekvensen med 3-4 kHz. Da radiostationer blev tildelt frekvenser kun 10 kHz fra hinanden, var interferens mellem tilstødende stationer på grund af frekvensdrift et almindeligt problem. I 1925 installerede Westinghouse en krystaloscillator i sin flagskibsstation KDKA, og i 1926 blev kvartskrystaller brugt til at styre frekvensen af ​​mange radiostationer og var populære hos amatørradiooperatører. I 1928 udviklede Warren Marrison fra Bell Telephone Laboratories det første kvartskrystalur . Med nøjagtigheder på op til 1 sekund i 30 år (30 ms / y eller 0,95 ns / S), kvarts ure erstattet præcision pendulure som verdens mest nøjagtige tidtagere indtil atomare ure blev udviklet i 1950'erne. Ved hjælp af det tidlige arbejde hos Bell Labs etablerede AT&T til sidst deres Frequency Control Products -afdeling, senere afskåret og i dag kendt som Vectron International.

En række virksomheder begyndte at producere kvartskrystaller til elektronisk brug i løbet af denne tid. Ved hjælp af hvad der nu betragtes som primitive metoder, blev der produceret omkring 100.000 krystalenheder i USA i løbet af 1939. Gennem anden verdenskrig blev krystaller fremstillet af naturlige kvartskrystaller, stort set alle fra Brasilien . Mangel på krystaller under krigen forårsaget af kravet om præcis frekvenskontrol af militære og flåderadioer og radarer ansporede efterkrigsundersøgelser til dyrkning af syntetisk kvarts, og i 1950 blev der udviklet en hydrotermisk proces til dyrkning af kvartskrystaller i kommerciel skala på Bell Laboratories . I 1970'erne var næsten alle krystaller, der blev brugt i elektronik, syntetiske.

I 1968 opfandt Juergen Staudte en fotolitografisk proces til fremstilling af kvartskrystaloscillatorer, mens han arbejdede i North American Aviation (nu Rockwell ), der tillod dem at blive gjort små nok til bærbare produkter som ure.

Selvom krystaloscillatorer stadig mest bruger kvartskrystaller, bliver enheder, der bruger andre materialer, mere og mere almindelige, såsom keramiske resonatorer .

Krystaloscillationstilstande

Operation

En krystal er et fast stof , hvori de bestanddele, atomer , molekyler eller ioner er pakket i et regelmæssigt ordnet, gentaget mønster, der strækker sig i alle tre rumlige dimensioner.

Næsten alle objekter fremstillet af et elastisk materiale kunne anvendes som en krystal, med passende transducere , da alle objekter har naturlige resonante frekvenser af vibrationer . For eksempel er stål meget elastisk og har en høj lydhastighed. Det blev ofte brugt i mekaniske filtre før kvarts. Resonansfrekvensen afhænger af størrelse, form, elasticitet og lydens hastighed i materialet. Højfrekvente krystaller skæres typisk i form af et enkelt rektangel eller cirkulær skive. Lavfrekvente krystaller, som dem, der bruges i digitale ure, skæres typisk i form af en stemmegaffel . Til applikationer, der ikke kræver særlig præcis timing, bruges en billig keramisk resonator ofte i stedet for en kvartskrystal.

Når en krystal af kvarts er korrekt skåret og monteret, kan den blive forvrænget i et elektrisk felt ved at påføre en spænding på en elektrode nær eller på krystallen. Denne egenskab er kendt som elektrostriktion eller omvendt piezoelektricitet. Når feltet fjernes, genererer kvarts et elektrisk felt, da det vender tilbage til sin tidligere form, og dette kan generere en spænding. Resultatet er, at en kvartskrystal opfører sig som et RLC -kredsløb , sammensat af en induktor , kondensator og modstand , med en præcis resonansfrekvens.

Kvarts har den yderligere fordel, at dens elastiske konstanter og dens størrelse ændres på en sådan måde, at frekvensafhængigheden af ​​temperaturen kan være meget lav. De specifikke egenskaber afhænger af vibrationsmåden og vinklen, hvor kvarts skæres (i forhold til dets krystallografiske akser). Derfor ændrer pladens resonansfrekvens, som afhænger af dens størrelse, ikke meget. Det betyder, at et kvartsur, filter eller oscillator forbliver nøjagtigt. Til kritiske anvendelser er kvartsoscillatoren monteret i en temperaturkontrolleret beholder, kaldet en krystalovn , og den kan også monteres på støddæmpere for at forhindre forstyrrelser ved eksterne mekaniske vibrationer.

Modellering

Elektrisk model

En kvartskrystal kan modelleres som et elektrisk netværk med lavimpedans (serier) og højimpedans (parallelle) resonanspunkter med tæt indbyrdes afstand. Matematisk (ved hjælp af Laplace -transformationen ) kan impedansen for dette netværk skrives som:

Skematisk symbol og tilsvarende kredsløb for en kvartskrystal i en oscillator

${\ displaystyle Z (s) = \ left ({{\ frac {1} {s \ cdot C_ {1}}}+s \ cdot L_ {1}+R_ {1}} \ right) \ left \ | \ venstre ({\ frac {1} {s \ cdot C_ {0}}} \ højre) \ højre.,}$

eller

${\ displaystyle {\ begin {align} Z (s) & = {\ frac {s^{2}+s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}}+{\ omega _ {\ mathrm {s}}}^{2}} {\ venstre (s \ cdot C_ {0} \ højre) \ venstre [s^{2}+s {\ frac {R_ {1}} {L_ {1}}} +{\ omega _ {\ mathrm {p}}}^{2} \ right]}} \\ [2pt] \ Rightarrow \ omega _ {\ mathrm {s}} & = {\ frac {1} {\ sqrt {L_ {1} \ cdot C_ {1}}}}, \ quad \ omega _ {\ mathrm {p}} = {\ sqrt {\ frac {C_ {1}+C_ {0}} {L_ {1} \ cdot C_ {1} \ cdot C_ {0}}}} = \ omega _ {s} {\ sqrt {1+{\ frac {C_ {1}} {C_ {0}}}}} \ approx \ omega _ {s} \ venstre (1+{\ frac {C_ {1}} {2C_ {0}}} \ højre) \ quad \ venstre (C_ {0} \ gg C_ {1} \ højre) \ end {justeret }}}$

hvor er den komplekse frekvens ( ), er serieresonerende vinkelfrekvens , og er den parallelle resonansvinkelfrekvens. ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle s = j \ omega}$${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {p}}}$

Tilføjelse af kapacitans over en krystal får den (parallelle) resonansfrekvens til at falde. Tilføjelse af induktans over en krystal får den (parallelle) resonansfrekvens til at stige. Disse effekter kan bruges til at justere den frekvens, hvormed en krystal svinger. Krystalfabrikanter skærer og beskærer normalt deres krystaller for at have en specificeret resonansfrekvens med en kendt "belastning" kapacitans tilføjet til krystallen. For eksempel har en krystal beregnet til en 6 pF belastning sin specificerede parallelle resonansfrekvens, når en 6,0 pF kondensator placeres på tværs af den. Uden belastningskapacitansen er resonansfrekvensen højere.

Resonans tilstande

En kvartskrystal giver både serier og parallel resonans. Serieresonansen er et par kilohertz lavere end den parallelle. Krystaller under 30 MHz drives generelt mellem serier og parallel resonans, hvilket betyder, at krystallen fremstår som en induktiv reaktans under drift, og denne induktans danner et parallelt resonanskredsløb med eksternt forbundet parallel kapacitans. Enhver lille ekstra kapacitans parallelt med krystallen trækker frekvensen lavere. Desuden kan krystallens effektive induktive reaktans reduceres ved at tilføje en kondensator i serie med krystallen. Denne sidstnævnte teknik kan tilvejebringe en nyttig metode til trimning af den oscillerende frekvens inden for et snævert område; i dette tilfælde øger svingningsfrekvensen ved at indsætte en kondensator i serie med krystallen. For at en krystal kan fungere med den angivne frekvens, skal det elektroniske kredsløb være nøjagtigt det, der er angivet af krystalproducenten. Bemærk, at disse punkter indebærer en subtilitet vedrørende krystaloscillatorer i dette frekvensområde: krystallen svinger normalt ikke ved præcis nogen af ​​sine resonansfrekvenser.

Krystaller over 30 MHz (op til> 200 MHz) drives generelt ved serieresonans, hvor impedansen forekommer på sit minimum og er lig med seriemodstanden. For disse krystaller er seriemodstanden specificeret (<100 Ω) i stedet for parallel kapacitans. For at nå højere frekvenser kan en krystal fås til at vibrere ved en af ​​dens overtonetilstande , der forekommer nær multipler af den grundlæggende resonansfrekvens. Der bruges kun ulige nummererede overtoner. En sådan krystal omtales som en 3., 5. eller endda 7. overtonekrystal. For at opnå dette inkluderer oscillatorkredsløbet normalt yderligere LC -kredsløb for at vælge den ønskede overtone.

Temperatureffekter

En krystals frekvenskarakteristik afhænger af krystallens form eller "snit". En stemmegaffelkrystal er normalt skåret således, at dens frekvensafhængighed af temperaturen er kvadratisk med maksimum omkring 25 ° C. Det betyder, at en stemmegaffel-krystaloscillator resonerer tæt på sin målfrekvens ved stuetemperatur, men bremser, når temperaturen enten stiger eller falder fra stuetemperatur. En almindelig parabolkoefficient for en 32 kHz tuning-gaffelkrystal er -0,04 ppm/° C ² :

${\ displaystyle f = f_ {0} \ venstre [1-0.04 ~ {\ text {ppm}}/^{\ circ} {\ text {C}}^{2} \ cdot (T-T_ {0}) ^{2} \ højre].}$

I en rigtig applikation betyder det, at et ur bygget ved hjælp af en almindelig 32 kHz tuning-gaffel krystal holder god tid ved stuetemperatur, men taber 2 minutter om året ved 10 ° C over eller under stuetemperatur og taber 8 minutter om året ved 20 ° C over eller under stuetemperatur på grund af kvartskrystal.

Krystaloscillator kredsløb

En krystal brugt i hobby radiostyring udstyr til at vælge frekvens.

Inde i et moderne DIP -pakke kvartskrystaloscillatormodul. Det indeholder en keramisk PCB -base, oscillator, dividerchip (/8), bypass -kondensator og en AT -skæret krystal.

Den krystaloscillatorkredsløb opretholder oscillation ved at tage et spændingssignal fra kvarts resonator , amplifikation det, og føre det tilbage til resonatoren. Ekspansionshastigheden og sammentrækningen af ​​kvarts er resonansfrekvensen og bestemmes af krydsklippets snit og størrelse. Når energien fra de genererede udgangsfrekvenser matcher tabene i kredsløbet, kan en oscillation opretholdes.

En oscillatorkrystal har to elektrisk ledende plader med en skive eller stemmegaffel af kvartskrystal klemt mellem dem. Under opstart placerer styrekredsløbet krystallen i en ustabil ligevægt , og på grund af den positive feedback i systemet forstærkes enhver lille brøkdel af støj , hvilket øger svingningen. Krystalresonatoren kan også ses som et højfrekvensselektivt filter i dette system: den passerer kun et meget smalt underbånd af frekvenser omkring den resonante og dæmper alt andet. Til sidst er kun resonansfrekvensen aktiv. Når oscillatoren forstærker de signaler, der kommer ud af krystallen, bliver signalerne i krystalets frekvensbånd stærkere og til sidst dominerer oscillatorens output. Kvartsglasets smalle resonansbånd filtrerer alle uønskede frekvenser ud.

Udgangsfrekvensen for en kvartsoscillator kan enten være den for den grundlæggende resonans eller et multiplum af denne resonans, kaldet en harmonisk frekvens. Harmoniske er et nøjagtigt heltal af grundfrekvensen. Men som mange andre mekaniske resonatorer udviser krystaller flere svingningsmåder, sædvanligvis ved cirka ulige heltal af grundfrekvensen. Disse betegnes "overtone modes", og oscillator kredsløb kan designes til at ophidse dem. Overtonetilstandene er ved frekvenser, der er omtrentlige, men ikke nøjagtige ulige heltalsmultipler af grundmodusens, og overtonefrekvenser er derfor ikke nøjagtige harmoniske af det grundlæggende.

Højfrekvente krystaller er ofte designet til at fungere ved tredje, femte eller syvende overtoner. Producenter har svært ved at producere krystaller tynde nok til at producere grundfrekvenser over 30 MHz. For at producere højere frekvenser laver producenterne overtonekrystaller indstillet til at sætte 3., 5. eller 7. overton til den ønskede frekvens, fordi de er tykkere og derfor lettere at fremstille end en grundlæggende krystal, der ville producere den samme frekvens - selvom den ønskede overton spændte frekvens kræver et lidt mere kompliceret oscillator kredsløb. Et grundlæggende krystaloscillator kredsløb er enklere og mere effektivt og har mere trækkraft end et tredje overtone kredsløb. Afhængigt af producenten kan den højeste tilgængelige grundfrekvens være 25 MHz til 66 MHz.

Indvendigt i en kvartskrystal.

En væsentlig årsag til den brede brug af krystaloscillatorer er deres høje Q -faktor . En typisk Q -værdi for en kvartsoscillator spænder fra 10 ⁴ til 10 ⁶ , sammenlignet med måske 10 ² for en LC -oscillator . Den maksimale Q for en kvartsoscillator med høj stabilitet kan estimeres som Q = 1,6 × 10 ⁷ / f , hvor f er resonansfrekvensen i megahertz.

Et af de vigtigste træk ved kvartskrystaloscillatorer er, at de kan udvise meget lav fasestøj . I mange oscillatorer forstærkes enhver spektral energi ved resonansfrekvensen af ​​oscillatoren, hvilket resulterer i en samling toner i forskellige faser. I en krystaloscillator vibrerer krystallen mest i en akse, derfor er kun en fase dominerende. Denne egenskab ved lavfasestøj gør dem særligt nyttige i telekommunikation, hvor der er behov for stabile signaler, og i videnskabeligt udstyr, hvor der er behov for meget præcise tidsreferencer.

Miljøændringer af temperatur, fugtighed, tryk og vibrationer kan ændre resonansfrekvensen af ​​en kvartskrystal, men der er flere designs, der reducerer disse miljøeffekter. Disse inkluderer TCXO, MCXO og OCXO, som er defineret nedenfor . Disse designs, især OCXO, producerer ofte enheder med fremragende kortsigtet stabilitet. Begrænsningerne i kortsigtet stabilitet skyldes hovedsageligt støj fra elektroniske komponenter i oscillatorkredsløbene. Langsigtet stabilitet er begrænset af ældning af krystallen.

På grund af ældning og miljøfaktorer (såsom temperatur og vibrationer) er det vanskeligt at holde selv de bedste kvartsoscillatorer inden for en del i 10 ¹⁰ af deres nominelle frekvens uden konstant justering. Derfor atomare oscillatorer anvendes til applikationer, der kræver en bedre langsigtet stabilitet og nøjagtighed.

Rasende frekvenser

25 MHz krystal, der udviser falsk respons

For krystaller, der drives ved serieresonans eller trækkes væk fra hovedtilstanden ved at inkludere en serieinduktor eller kondensator, kan der opleves betydelige (og temperaturafhængige) falske reaktioner. Selvom de fleste falske tilstande typisk er nogle titalls kilohertz over den ønskede serieresonans, er deres temperaturkoefficient forskellig fra hovedtilstanden, og den falske reaktion kan bevæge sig gennem hovedtilstanden ved bestemte temperaturer. Selvom seriemodstandene ved de falske resonanser forekommer højere end den ved ønsket frekvens, kan en hurtig ændring i hovedmodus -seriemodstanden forekomme ved specifikke temperaturer, når de to frekvenser er tilfældige. En konsekvens af disse aktivitetsfald er, at oscillatoren kan låse med en falsk frekvens ved specifikke temperaturer. Dette minimeres generelt ved at sikre, at vedligeholdelseskredsløbet har utilstrækkelig forstærkning til at aktivere uønskede tilstande.

Rasende frekvenser genereres også ved at udsætte krystallen for vibrationer. Dette modulerer resonansfrekvensen i en lille grad af vibrationernes frekvens. SC-skårne krystaller er designet til at minimere frekvenseffekten af ​​monteringsspænding, og de er derfor mindre følsomme over for vibrationer. Accelerationseffekter, herunder tyngdekraften, reduceres også med SC-skårne krystaller, ligesom frekvensændringer med tiden skyldes langvarig variation i monteringsspænding. Der er ulemper med krystaller med SC-cut-forskydningstilstand, såsom behovet for, at vedligeholdelsesoscillatoren diskriminerer andre nært beslægtede uønskede tilstande og øget frekvensændring på grund af temperatur, når den udsættes for et fuldt omgivende område. SC-skårne krystaller er mest fordelagtige, hvor temperaturregulering ved deres temperatur på nul temperaturkoefficient (omsætning) er mulig, under disse omstændigheder kan en samlet stabilitetsevne fra premium-enheder nærme sig stabiliteten i Rubidium-frekvensstandarder.

Almindeligt anvendte krystalfrekvenser

Krystaller kan fremstilles til oscillation over en lang række frekvenser, fra et par kilohertz op til flere hundrede megahertz. Mange applikationer kræver en krystaloscillatorfrekvens, der bekvemt er relateret til en anden ønsket frekvens, så hundredvis af standardkrystalfrekvenser laves i store mængder og lagerføres af elektronikdistributører. For eksempel er 3,579545 MHz-krystaller, der er fremstillet i store mængder til NTSC- farve- tv- modtagere, også populære til mange ikke-tv-applikationer. Ved hjælp af frekvensdelere , frekvensmultiplikatorer og faselåste kredsløbskredsløb er det praktisk at udlede en lang række frekvenser fra en referencefrekvens.

Krystalstrukturer og materialer

Kvarts

Almindelige emballagetyper til kvartskrystalprodukter

Klynge af naturlige kvartskrystaller

En syntetisk kvartskrystal dyrket ved den hydrotermiske syntese , cirka 19 cm lang og vejer cirka 127 g

Tuning-gaffel krystal brugt i et moderne kvartsur

Enkel kvarts krystal

Indvendig konstruktion af en HC-49 pakke kvartskrystal

Bøjning og tykkelse-forskydningskrystaller

Det mest almindelige materiale til oscillatorkrystaller er kvarts . I begyndelsen af ​​teknologien blev naturlige kvartskrystaller brugt, men nu er syntetisk krystallinsk kvarts dyrket ved hydrotermisk syntese fremherskende på grund af højere renhed, lavere omkostninger og mere bekvem håndtering. En af de få tilbageværende anvendelser af naturlige krystaller er til tryktransducere i dybe brønde. Under Anden Verdenskrig og et stykke tid efter blev naturkvarts betragtet som et strategisk materiale af USA. Store krystaller blev importeret fra Brasilien. Rå "lascas", kildematerialet kvarts til hydrotermisk syntese, importeres til USA eller udvindes lokalt af Coleman Quartz. Gennemsnitsværdien af ​​syntetisk kvarts, der blev dyrket i 1994, var 60 USD /kg.

Typer

Der findes to typer kvartskrystaller: venstrehåndet og højrehåndet. De to adskiller sig i deres optiske rotation, men de er identiske i andre fysiske egenskaber. Både venstre- og højrehåndede krystaller kan bruges til oscillatorer, hvis snittevinklen er korrekt. Ved fremstilling bruges generelt højrehåndskvarts. De SiO ₄ tetraedre danner parallelle helixer; spiralens vridningsretning bestemmer venstre- eller højreorienteringen. Helixerne er justeret langs z-aksen og flettes, og deler atomer. Helixernes masse danner et net af små og store kanaler parallelt med z-aksen. De store er store nok til at tillade mobilitet af mindre ioner og molekyler gennem krystallen.

Kvarts findes i flere faser. Ved 573 ° C ved 1 atmosfære (og ved højere temperaturer og højere tryk) undergår α- kvarts kvartsinversion , omdannes reversibelt til β-kvarts. Den omvendte proces er imidlertid ikke fuldstændig homogen, og krystalsamarbejde forekommer. Der skal udvises omhu under fremstilling og forarbejdning for at undgå fasetransformation. Andre faser, f.eks. Faser med højere temperatur tridymit og cristobalit , er ikke signifikante for oscillatorer. Alle kvartsoscillatorkrystaller er af α-kvarts-typen.

Kvalitet

Infrarød spektrofotometri bruges som en af ​​metoderne til måling af kvaliteten af ​​de dyrkede krystaller. De bølgetal 3585, 3500, og 3410 cm ^-1 er almindeligt anvendt. Den målte værdi er baseret på absorptionsbåndene i OH -radikalen, og den infrarøde Q -værdi beregnes. De elektroniske krystaller, klasse C, har Q på 1,8 millioner eller derover; premium grade B -krystaller har Q på 2,2 millioner, og specielle premium grade A -krystaller har Q på 3,0 millioner. Q -værdien beregnes kun for z -regionen; krystaller indeholdende andre regioner kan påvirkes negativt. En anden kvalitetsindikator er ætsningskanaltætheden; når krystallen er ætset , skabes rørformede kanaler langs lineære defekter. Til behandling, der involverer ætsning, f.eks. Armbåndsurets tuning af gaffelkrystaller, er lav ætsningskanaltæthed ønskelig. Ætsningskanaltætheden for fejet kvarts er ca. 10–100 og betydeligt mere for ufejet kvarts. Tilstedeværelse af ætsningskanaler og ætsningsgrave nedbryder resonatorens Q og introducerer ulineariteter.

Produktion

Kvartskrystaller kan dyrkes til specifikke formål.

Krystaller til AT-cut er de mest almindelige i masseproduktion af oscillatormaterialer; form og dimensioner er optimeret til et højt udbytte af de nødvendige skiver . Kvarts krystaller med høj renhed dyrkes med særligt lavt indhold af aluminium, alkalimetal og andre urenheder og minimale defekter; den lave mængde alkalimetaller giver øget modstand mod ioniserende stråling. Krystaller til armbåndsure, til skæring af stemmegaflen 32768 Hz krystaller, dyrkes med meget lav ætsningskanaltæthed.

Krystaller til SAW- enheder dyrkes som flade, med stort X-størrelse frø med lav ætsningskanaltæthed.

Særlige høj-Q-krystaller, til brug i meget stabile oscillatorer, dyrkes ved konstant langsom hastighed og har konstant lav infrarød absorption langs hele Z-aksen. Krystaller kan dyrkes som Y-stang, med en frøkrystal i stangform og forlænget langs Y-aksen, eller som Z-plade, vokset fra en pladefrø med Y-aksens retningslængde og X-akse bredde. Området omkring frøkrystallet indeholder et stort antal krystaldefekter og bør ikke bruges til skiverne

Krystaller vokser anisotropisk ; væksten langs Z -aksen er op til 3 gange hurtigere end langs X -aksen. Vækstretningen og hastigheden påvirker også optagelseshastigheden af ​​urenheder. Y-stangkrystaller eller Z-pladekrystaller med lang Y-akse har fire vækstområder, der normalt kaldes +X, −X, Z og S. Fordelingen af ​​urenheder under væksten er ujævn; forskellige vækstområder indeholder forskellige niveauer af forurenende stoffer. Z -regionerne er de reneste, de små lejlighedsvis tilstedeværende S -områder er mindre rene, +X -regionen er endnu mindre ren, og -X -regionen har det højeste niveau af urenheder. Urenhederne har en negativ indvirkning på strålingshårdhed , modtagelighed over for twinning , filtertab og lang- og kortvarig stabilitet af krystallerne. Forskelligt skårne frø i forskellige orienteringer kan give andre former for vækstregioner. Væksthastigheden for −X -retningen er langsomst på grund af virkningen af ​​adsorption af vandmolekyler på krystaloverfladen; aluminium urenheder undertrykker vækst i to andre retninger. Indholdet af aluminium er lavest i Z -regionen, højere i +X, endnu højere i −X og højest i S; størrelsen på S -områder vokser også med øget mængde aluminium til stede. Indholdet af brint er lavest i Z -regionen, højere i +X -regionen, endnu højere i S -regionen og højest i -X. Aluminiumindeslutninger omdannes til farvecentre med gammastrålebestråling, hvilket forårsager en mørkning af krystallen, der er proportional med dosis og urenhedsniveau; tilstedeværelsen af ​​regioner med forskelligt mørke afslører de forskellige vækstområder.

Den dominerende form for defekt af bekymring i kvartskrystaller er substitution af en AI (III) til en Si (IV) atom i krystalgitteret . Aluminiumionen har en tilhørende interstitiel ladningskompensator til stede i nærheden, som kan være en H ⁺ -ion ​​(knyttet til ilt i nærheden og danne en hydroxylgruppe , kaldet Al -OH -defekt), Li ⁺ ion, Na ⁺ ion, K ⁺ ion ( mindre almindelig) eller et elektronhul fanget i et nærliggende oxygenatom. Sammensætningen af ​​vækstopløsningen, uanset om den er baseret på lithium- eller natriumalkaliforbindelser, bestemmer ladningskompenserende ioner for aluminiumdefekterne. Ionforureningerne er bekymrende, da de ikke er fast bundet og kan vandre gennem krystallen, hvilket ændrer den lokale gitterelasticitet og krystallens resonansfrekvens. Andre almindelige bekymringer er f.eks. Jern (III) (interstitiel), fluor, bor (III), fosfor (V) (substitution), titanium (IV) (substitution, universelt til stede i magmatisk kvarts, mindre almindelig i hydrotermisk kvarts), og germanium (IV) (substitution). Natrium- og jernioner kan forårsage inklusioner af acnit- og elemeusitkrystaller . Indeslutninger af vand kan være til stede i hurtigt voksende krystaller; interstitielle vandmolekyler er rigelige nær krystalfrøet. En anden defekt af betydning er den hydrogenholdige vækstdefekt, når der i stedet for en Si − O − Si struktur dannes et par Si − OH HO − Si grupper; i det væsentlige en hydrolyseret binding. Hurtigt voksede krystaller indeholder flere brintdefekter end langsomt voksende. Disse vækstdefekter kommer som levering af hydrogenioner til strålingsinducerede processer og dannelse af Al-OH-defekter. Germanium -urenheder har en tendens til at fange elektroner, der er skabt under bestråling; alkalimetalkationerne vandrer derefter mod det negativt ladede center og danner et stabiliserende kompleks. Matrixfejl kan også være til stede; iltpladser, ledige silicium (normalt kompenseret med 4 hydrogen eller 3 hydrogen og et hul), peroxygrupper osv. Nogle af defekterne producerer lokaliserede niveauer i det forbudte bånd, der fungerer som ladningsfælder; Al (III) og B (III) tjener typisk som hulfælder, mens elektroner, titanium, germanium og fosforatomer fungerer som elektronfælder. De fangede ladningsbærere kan frigives ved opvarmning; deres rekombination er årsagen til termoluminescens .

Mobiliteten af ​​interstitielle ioner afhænger stærkt af temperaturen. Hydrogenioner er mobile ned til 10 K, men alkalimetalioner bliver kun mobile ved temperaturer omkring og over 200 K. Hydroxyldefekterne kan måles ved nær-infrarød spektroskopi. De fangede huller kan måles ved elektron -spin -resonans . Al-Na ⁺ -defekterne viser sig som en akustisk tabstop på grund af deres stressinducerede bevægelse; Al -Li ⁺ -defekterne danner ikke en potentiel brønd, så det kan ikke påvises på denne måde. Nogle af de strålingsinducerede defekter under deres termiske glødning producerer termoluminescens ; defekter relateret til aluminium, titanium og germanium kan skelnes.

Fejede krystaller er krystaller, der har gennemgået en elektrodiffusionsrensningsproces i fast tilstand . Fejning indebærer opvarmning af krystallen over 500 ° C i en hydrogenfri atmosfære med en spændingsgradient på mindst 1 kV/cm i flere timer (normalt over 12). Migrationen af ​​urenheder og den gradvise udskiftning af alkalimetalioner med hydrogen (når de fejes i luften) eller elektronhuller (når de fejes i vakuum) forårsager en svag elektrisk strøm gennem krystallen; henfald af denne strøm til en konstant værdi signalerer slutningen af ​​processen. Krystallen lades derefter afkøle, mens det elektriske felt opretholdes. Urenhederne koncentreres i krystalets katodeområde, som derefter afskæres og kasseres. Fejede krystaller har øget modstandsdygtighed over for stråling, da dosiseffekterne er afhængige af niveauet af alkalimetal urenheder; de er egnede til brug i enheder udsat for ioniserende stråling, f.eks. til atom- og rumteknologi. Fejning under vakuum ved højere temperaturer og højere feltstyrker giver endnu flere strålingshårde krystaller. Urenhedernes niveau og karakter kan måles ved hjælp af infrarød spektroskopi. Kvarts kan fejes i både α og β fase; fejning i β -fase er hurtigere, men faseovergangen kan forårsage twinning. Twinning kan formindskes ved at udsætte krystallen for kompressionsspænding i X -retningen eller et AC eller DC elektrisk felt langs X -aksen, mens krystallen afkøles gennem fasetransformationstemperaturområdet.

Fejning kan også bruges til at indføre en slags urenhed i krystallen. Litium-, natrium- og brintfejede krystaller bruges til f.eks. Undersøgelse af kvartsadfærd.

Meget små krystaller til høje fundamental-mode frekvenser kan fremstilles ved fotolitografi.

Krystaller kan justeres til præcise frekvenser ved lasertrimning . En teknik, der anvendes i amatørradioens verden til et let fald i krystalfrekvensen, kan opnås ved at udsætte krystaller med sølvelektroder for joddampe , hvilket forårsager en let massestigning på overfladen ved at danne et tyndt lag sølviodid ; sådanne krystaller havde imidlertid problematisk langsigtet stabilitet. En anden almindeligt anvendt metode er elektrokemisk forøgelse eller formindskelse af sølvelektrodetykkelse ved at nedsænke en resonator i lapis lazuli opløst i vand, citronsyre i vand eller vand med salt og ved hjælp af resonatoren som en elektrode og en lille sølvelektrode som den anden .

Ved at vælge strømretningen kan man enten øge eller reducere massen af ​​elektroderne. Detaljer blev offentliggjort i "Radio" -magasinet (3/1978) af UB5LEV.

Det anbefales ikke at hæve frekvensen ved at ridse dele af elektroderne af, da dette kan beskadige krystallen og sænke dens Q -faktor . Kondensator trimmere kan også bruges til frekvensjustering af oscillator kredsløb.

Andre materialer

Nogle andre piezoelektriske materialer end kvarts kan anvendes. Disse indbefatter enkeltkrystaller af lithium tantalat , lithiumniobat , lithium borat , berlinite , galliumarsenid , lithiumtetraborat , aluminiumphosphat , bismuth germaniumoxid , polykrystallinske zirconium titanate keramik, høje aluminiumoxid keramik, silicium - zinkoxid komposit eller dikalium tartrat . Nogle materialer kan være mere egnede til specifikke applikationer. En oscillatorkrystal kan også fremstilles ved at aflevere resonatormaterialet på siliciumchipoverfladen. Krystaller af gallium phosphat , langasite , langanite og langatate er omkring 10 gange mere pullable end de tilsvarende kvartskrystaller og anvendes i nogle VCXO oscillatorer.

Stabilitet

Hyppigheden stabilitet bestemmes ved krystallens Q . Det er omvendt afhængigt af frekvensen og af den konstant, der er afhængig af det særlige snit. Andre faktorer, der påvirker Q, er den anvendte overton, temperaturen, krystalets drivniveau, overfladefinishens kvalitet, de mekaniske belastninger, der påføres krystallen ved binding og montering, krystalets geometri og de vedhæftede elektroder, materialens renhed og defekter i krystallen, gasens type og tryk i kabinettet, interfererende tilstande og tilstedeværelse og absorberet dosis af ioniserende og neutronstråling.

Temperatur

Temperatur påvirker driftsfrekvensen; forskellige former for kompensation bruges, fra analog kompensation (TCXO) og mikrokontrollerkompensation (MCXO) til stabilisering af temperaturen med en krystalovn (OCXO). Krystallerne besidder temperatur hysterese ; frekvensen ved en given temperatur opnået ved at øge temperaturen er ikke lig med frekvensen på den samme temperatur opnået ved at sænke temperaturen. Temperaturfølsomheden afhænger primært af snittet; de temperaturkompenserede nedskæringer vælges for at minimere frekvens/temperaturafhængighed. Særlige nedskæringer kan foretages med lineære temperaturegenskaber; LC -snittet bruges i kvartstermometre. Andre påvirkningsfaktorer er den anvendte overton, montering og elektroder, urenheder i krystallen, mekanisk belastning, krystalgeometri, temperaturændringshastighed, termisk historie (på grund af hysterese), ioniserende stråling og drivniveau.

Krystaller har en tendens til at lide anomalier i deres frekvens/temperatur og modstand/temperaturegenskaber, kendt som aktivitetsfald. Disse er små nedadgående frekvens- eller opadgående modstandsudflugter lokaliseret ved visse temperaturer, hvor deres temperaturposition er afhængig af værdien af ​​belastningskondensatorerne.

Mekanisk belastning

Mekaniske belastninger påvirker også frekvensen. Spændingerne kan induceres ved montering, binding og påføring af elektroderne, ved differentiel termisk ekspansion af monteringen, elektroderne og selve krystallen, af differentielle termiske spændinger, når der er en temperaturgradient til stede, ved ekspansion eller krympning af bindingen materialer under hærdning, af det lufttryk, der overføres til omgivelsestrykket i krystalindkapslingen, af spændingerne i selve krystalgitteret (ujævn vækst, urenheder, dislokationer), af overfladefejl og skader forårsaget under fremstilling og af tyngdekraftens virkning på krystallens masse; frekvensen kan derfor påvirkes af krystallets position. Andre dynamiske stressfremkaldende faktorer er stød, vibrationer og akustisk støj. Nogle nedskæringer er mindre følsomme over for belastninger; SC (Stress Compensated) cut er et eksempel. Ændringer i atmosfærisk tryk kan også introducere deformationer i huset, hvilket påvirker frekvensen ved at ændre vildfarne kapacitanser.

Atmosfærisk fugtighed påvirker luftens termiske overførselsegenskaber og kan ændre plastiske elektriske egenskaber ved diffusion af vandmolekyler i deres struktur, hvilket ændrer de dielektriske konstanter og elektrisk ledningsevne .

Andre faktorer, der påvirker frekvensen, er strømforsyningsspændingen, belastningsimpedans, magnetfelter, elektriske felter (i tilfælde af nedskæringer, der er følsomme over for dem, f.eks. SC-udskæringer), tilstedeværelse og absorberet dosis af γ-partikler og ioniserende stråling, og krystalets alder.

Aldring

Krystaller gennemgår langsom gradvis ændring af frekvensen med tiden, kendt som ældning. Der er mange mekanismer involveret. Monteringen og kontakterne kan undergå aflastning af de indbyggede spændinger. Forureningsmolekyler enten fra den resterende atmosfære, udgasset fra krystallen, elektroder eller emballagematerialer eller indført under forsegling af huset kan adsorberes på krystaloverfladen og ændre dens masse; denne effekt udnyttes i kvarts krystal mikrobalancer . Krystallens sammensætning kan gradvist ændres ved afgasning, diffusion af atomer af urenheder eller vandring fra elektroderne, eller gitteret kan blive beskadiget af stråling. Langsomme kemiske reaktioner kan forekomme på eller i krystallen eller på indersiden af ​​kabinettet. Elektrodemateriale, f.eks. Chrom eller aluminium, kan reagere med krystallen og danne lag af metaloxid og silicium; disse grænsefladelag kan undergå ændringer i tide. Trykket i kabinettet kan ændre sig på grund af varierende atmosfærisk tryk, temperatur, lækager eller afgasning af materialerne indeni. Faktorer uden for selve krystallen er f.eks. Ældning af oscillatorkredsløbet (og f.eks. Ændring af kapacitanser) og drift af parametre i krystalovnen. Ekstern atmosfæresammensætning kan også påvirke aldring; brint kan diffundere gennem nikkelhus. Helium kan forårsage lignende problemer, når det diffunderer gennem glasindhegninger af rubidiumstandarder .

Guld er et foretrukket elektrodemateriale til lavaldrende resonatorer; dets vedhæftning til kvarts er stærk nok til at opretholde kontakt selv ved stærke mekaniske stød, men svag nok til ikke at understøtte betydelige belastningsgradienter (i modsætning til chrom, aluminium og nikkel). Guld danner heller ikke oxider; det adsorberer organiske forurenende stoffer fra luften, men disse er lette at fjerne. Dog kan guld alene undergå delaminering; et lag chrom bruges derfor undertiden til forbedret bindingsstyrke. Sølv og aluminium bruges ofte som elektroder; begge danner imidlertid oxidlag med tiden, der øger krystalmassen og sænker frekvensen. Sølv kan passiveres ved udsættelse for jod dampe, der danner et lag af sølviodid . Aluminium oxiderer let, men langsomt, indtil ca. 5 nm tykkelse er nået; forhøjet temperatur under kunstig ældning øger ikke oxiddannelseshastigheden væsentligt; et tykt oxidlag kan dannes under fremstilling ved anodisering . Udsættelse af forsølvet krystal til joddampe kan også bruges under amatørbetingelser for at sænke krystalfrekvensen lidt; frekvensen kan også øges ved at ridse dele af elektroderne af, men det medfører risiko for skader på krystallen og tab af Q.

En DC -spændingsforskydning mellem elektroderne kan fremskynde den indledende ældning, sandsynligvis ved induceret diffusion af urenheder gennem krystallen. At placere en kondensator i serie med krystallen og en flere-megaohm modstand parallelt kan minimere sådanne spændinger.

Mekanisk skade

Krystaller er følsomme over for stød . Den mekaniske spænding forårsager en kortsigtet ændring i oscillatorfrekvensen på grund af krystals spændingsfølsomhed og kan indføre en permanent frekvensændring på grund af stødfremkaldte ændringer i montering og indre spændinger (hvis de mekaniske elastiske grænser dele overskrides), desorption af kontaminering fra krystaloverfladerne eller ændring i parametre for oscillatorkredsløbet. Store stødmængder kan rive krystallerne af deres beslag (især i tilfælde af store lavfrekvente krystaller suspenderet på tynde ledninger) eller forårsage revner i krystallen. Krystaller uden overfladefejl er yderst stødsikre; kemisk polering kan producere krystaller, der er i stand til at overleve titusinder af g .

Frekvensudsving

Krystaller lider også af mindre kortsigtede frekvensudsving. Hovedårsagerne til sådan støj er f.eks. Termisk støj (som begrænser støjgulvet), spredning af fononer (påvirket af gitterdefekter), adsorption/desorption af molekyler på krystaloverfladen, støj fra oscillatorkredsløbene, mekaniske stød og vibrationer, acceleration og orienteringsændringer, temperatursvingninger og lindring af mekaniske belastninger. Den kortsigtede stabilitet måles ved fire hovedparametre: Allan-varians (den mest almindelige specificeret i oscillator-datablade), fasestøj, spektral tæthed af faseafvigelser og spektraldensitet af fraktionelle frekvensafvigelser. Virkningerne af acceleration og vibration har en tendens til at dominere de andre støjkilder; overfladeakustiske bølgeenheder har en tendens til at være mere følsomme end bulk akustiske bølger (BAW), og de spændingskompenserede nedskæringer er endnu mindre følsomme. Accelerationsvektorens relative orientering til krystallen påvirker dramatisk krystallets vibrationsfølsomhed. Mekaniske vibrationsisoleringsbeslag kan bruges til krystaller med høj stabilitet.

Fasestøj spiller en væsentlig rolle i frekvenssyntesesystemer , der anvender frekvensmultiplikation; en multiplikation af en frekvens med N øger fasestøjeffekten med N ² . En frekvensmultiplikation med 10 gange multiplicerer størrelsen af ​​fasefejlen med 10 gange. Dette kan være katastrofalt for systemer, der anvender PLL- eller FSK -teknologier.

Strålingsskader

Krystaller er noget følsomme over for strålingsskader . Naturligt kvarts er meget mere følsomt end kunstigt dyrkede krystaller, og følsomheden kan reduceres yderligere ved at feje krystallen-opvarme krystallen til mindst 400 ° C i en hydrogenfri atmosfære i et elektrisk felt på mindst 500 V/cm i kl. mindst 12 timer. Sådanne fejede krystaller har en meget lav reaktion på stabil ioniserende stråling. Nogle Si (IV) -atomer erstattes med Al (III) urenheder, der hver har en kompenserende Li ⁺ eller Na ⁺ kation i nærheden. Ionisering producerer elektronhulspar; hullerne er fanget i gitteret nær Al -atomet, de resulterende Li- og Na -atomer er løst fanget langs Z -aksen; ændringen af ​​gitteret nær Al -atomet og den tilsvarende elastiske konstant forårsager derefter en tilsvarende ændring i frekvens. Fejning fjerner Li ⁺ og Na ⁺ -ionerne fra gitteret, hvilket reducerer denne effekt. Al ³⁺ -stedet kan også fælde hydrogenatomer. Alle krystaller har et forbigående negativt frekvensskift efter udsættelse for en røntgenpuls ; frekvensen skifter derefter gradvist tilbage; naturlig kvarts når stabil frekvens efter 10-1000 sekunder, med en negativ forskydning til præbestrålingsfrekvens, kunstige krystaller vender tilbage til en frekvens, der er lidt lavere eller højere end forudbestråling, fejede krystaller annealer næsten tilbage til originalfrekvensen. Glødningen er hurtigere ved højere temperaturer. Feje under vakuum ved højere temperaturer og feltstyrke kan yderligere reducere krystalets reaktion på røntgenpulser. Seriemodstanden for ikke-fejede krystaller stiger efter en røntgendosis og glødes tilbage til en noget højere værdi for et naturligt kvarts (kræver en tilsvarende forstærkningsreserve i kredsløbet) og tilbage til forbestrålingsværdien for syntetiske krystaller. Seriemodstand af fejede krystaller påvirkes ikke. Forøgelse af seriemodstanden forringer Q; for høj stigning kan stoppe svingningerne. Neutronstråling inducerer frekvensændringer ved at indføre dislokationer i gitteret ved at slå atomerne ud, en enkelt hurtig neutron kan producere mange defekter; skæringsfrekvensen SC og AT stiger nogenlunde lineært med absorberet neutrondosis, mens hyppigheden af ​​BT -nedskæringerne falder. Neutroner ændrer også temperaturfrekvensegenskaberne. Frekvensændring ved lave ioniserende strålingsdoser er forholdsmæssigt højere end for højere doser. Højintensiv stråling kan stoppe oscillatoren ved at inducere fotokonduktivitet i krystallen og transistorer; med en fejet krystal og korrekt designet kredsløb kan svingningerne genstarte inden for 15 mikrosekunder efter strålingen brast. Kvartskrystaller med høje niveauer af alkalimetalforureninger mister Q ved bestråling; Q af fejede kunstige krystaller påvirkes ikke. Bestråling med højere doser (over 10 ⁵ rad) sænker følsomheden til efterfølgende doser. Meget lave stråledoser (under 300 rad) har uforholdsmæssigt større effekt, men denne ulinearitet mætter ved højere doser. Ved meget høje doser mætter strålingsresponsen af ​​krystallen også på grund af det begrænsede antal urenhedssteder, der kan påvirkes.

Magnetfelter har ringe effekt på selve krystallen, da kvarts er diamagnetisk ; hvirvelstrømme eller vekselstrømsspændinger kan imidlertid induceres i kredsløbene, og magnetiske dele af monteringen og huset kan påvirkes.

Efter opstart tager det flere sekunder til minutter at krystallerne "opvarmes" og stabiliserer deres frekvens. De ovnstyrede OCXO'er kræver normalt 3-10 minutter for opvarmning for at nå termisk ligevægt; ovnløse oscillatorer stabiliseres på flere sekunder, da de få milliwatt, der spredes i krystallen, forårsager et lille, men mærkbart niveau af intern opvarmning.

Krystaller har ingen iboende fejlmekanismer; nogle har fungeret i enheder i årtier. Fejl kan imidlertid indføres ved fejl i binding, utætte kabinetter, korrosion, frekvensforskydning ved ældning, brud på krystallen ved for højt mekanisk stød eller strålingsfremkaldt skade, når der anvendes ikke-fejet kvarts. Krystaller kan også blive beskadiget ved overkørsel.

Krystallerne skal drives på det passende drivniveau. Selvom AT-udskæringer har en tendens til at være nogenlunde tilgivende, idet kun deres elektriske parametre, stabilitet og ældningskarakteristika forringes, når de overdrives, kan lavfrekvente krystaller, især dem i bøjningsmodus, knække ved for høje drivniveauer. Drevniveauet er angivet som den mængde strøm, der spredes i krystallen. De passende drivniveauer er ca. 5 μW for bøjningstilstande op til 100 kHz, 1 μW for grundlæggende tilstande ved 1–4 MHz, 0,5 μW for grundlæggende tilstande 4–20 MHz og 0,5 μW for overtonetilstande ved 20–200 MHz. For lavt drevniveau kan forårsage problemer med at starte oscillatoren. Lave drivniveauer er bedre for højere stabilitet og lavere strømforbrug i oscillatoren. Højere drivniveauer reducerer igen støjpåvirkningen ved at øge signal-støjforholdet .

Stabiliteten af ​​AT -udskårne krystaller falder med stigende frekvens. For mere præcise højere frekvenser er det bedre at bruge en krystal med lavere grundfrekvens, der opererer med en overton.

Aldring falder logaritmisk med tiden, de største ændringer sker kort efter fremstilling. Kunstig ældning af en krystal ved langvarig opbevaring ved 85 til 125 ° C kan øge dens langsigtede stabilitet.

Et dårligt designet oscillatorkredsløb kan pludselig begynde at oscillere på en overton . I 1972 styrtede et tog i Fremont, Californien ned på grund af en defekt oscillator. En uhensigtsmæssig værdi af tankens kondensator fik krystallen i et kontrolkort til at blive overdriven, hoppe til en overton og få toget til at køre hurtigere i stedet for at bremse.

Krystalsnit

Resonatorpladen kan skæres fra kildekrystallet på mange forskellige måder. Snittets orientering påvirker krystalets ældningskarakteristika, frekvensstabilitet, termiske egenskaber og andre parametre. Disse snit fungerer ved bulk akustisk bølge (BAW); til højere frekvenser anvendes overfladeakustisk bølge (SAW) -enheder.

Billede af flere krystalskår

T i snitnavnet markerer et temperaturkompenseret snit, et snit orienteret på en sådan måde, at temperaturkoefficienterne i gitteret er minimale; FC- og SC-nedskæringerne er også temperaturkompenserede.

Højfrekvente snit er monteret ved deres kanter, normalt på fjedre; fjederens stivhed skal være optimal, som om den er for stiv, kan mekaniske stød overføres til krystallen og få den til at gå i stykker, og for lidt stivhed kan tillade krystallen at kollidere med indersiden af ​​emballagen, når den udsættes for et mekanisk stød og brud. Stripresonatorer, normalt AT -udskæringer, er mindre og derfor mindre følsomme over for mekaniske stød. Ved samme frekvens og overton har strimlen mindre trækbarhed, højere modstand og højere temperaturkoefficient.

Lavfrekvente nedskæringer er monteret ved knudepunkterne, hvor de er næsten ubevægelige; tynde tråde er fastgjort på sådanne punkter på hver side mellem krystallen og ledningerne. Den store masse af krystallen suspenderet på de tynde tråde gør forsamlingen følsom over for mekaniske stød og vibrationer.

Krystallerne er normalt monteret i hermetisk forseglede glas- eller metalkasser, fyldt med en tør og inaktiv atmosfære, normalt vakuum, nitrogen eller helium. Plasthuse kan også bruges, men de er ikke hermetiske, og der skal bygges en anden sekundær tætning omkring krystallen.

Flere resonatorkonfigurationer er mulige ud over den klassiske måde at direkte fastgøre ledninger til krystallen. F.eks. BVA -resonatoren (Boîtier à Vieillissement Amélioré, kabinet med forbedret aldring), udviklet i 1976; de dele, der påvirker vibrationerne, bearbejdes ud fra en enkelt krystal (hvilket reducerer monteringsspændingen), og elektroderne afsættes ikke på selve resonatoren, men på indersiden af ​​to kondensatorskiver lavet af tilstødende skiver af kvarts fra samme bar , der danner en trelags sandwich uden spænding mellem elektroderne og det vibrerende element. Gabet mellem elektroderne og resonatoren fungerer som to små seriekondensatorer, hvilket gør krystallen mindre følsom over for kredsløbspåvirkning. Arkitekturen eliminerer virkningerne af overfladekontakterne mellem elektroderne, begrænsningerne i monteringsforbindelserne og spørgsmålene vedrørende ionmigration fra elektroderne ind i gitteret på det vibrerende element. Den resulterende konfiguration er robust, modstandsdygtig over for stød og vibrationer, modstandsdygtig over for acceleration og ioniserende stråling og har forbedrede ældningskarakteristika. AT cut bruges normalt, selvom der også findes SC cut -varianter. BVA -resonatorer bruges ofte i rumfartøjsapplikationer.

I 1930'erne til 1950'erne var det ret almindeligt, at folk justerede krystallernes frekvens ved manuel formaling. Krystallerne blev formalet ved hjælp af en fin slibemuld eller endda en tandpasta for at øge deres frekvens. Et let fald med 1-2 kHz, når krystallen var overjordisk, var mulig ved at markere krystalfladen med en blyant på bekostning af en sænket Q.

Krystallens frekvens er let justerbar ("trækbar") ved at ændre de vedhæftede kapacitanser. En varaktor , en diode med kapacitans afhængig af påført spænding, bruges ofte i spændingsstyrede krystaloscillatorer, VCXO. Krystalskæringer er normalt AT eller sjældent SC og fungerer i grundlæggende tilstand; mængden af ​​tilgængelig frekvensafvigelse er omvendt proportional med kvadratet af overtonetallet, så en tredje overtone har kun en niendedel af trækbarheden af ​​den grundlæggende tilstand. SC -udskæringer, mens de er mere stabile, er betydeligt mindre trækkelige.

Kredsløbsnotationer og forkortelser

På elektriske skematiske diagrammer betegnes krystaller med klassebogstavet Y (Y1, Y2 osv.). Oscillatorer, uanset om de er krystaloscillatorer eller andre, er betegnet med klassebogstavet G (G1, G2 osv.). Krystaller kan også betegnes på en skematisk med X eller XTAL eller en krystaloscillator med XO .

Krystaloscillatortyper og deres forkortelser:

• ATCXO - Analog temperaturstyret krystaloscillator
• CDXO - Kalibreret dobbelt krystal oscillator
• DTCXO - Digital temperaturkompenseret krystaloscillator
• EMXO - Evakueret miniaturekrystaloscillator
• GPSDO - Global positioneringssystem disciplineret oscillator
• MCXO - Mikrocomputer -compensated krystaloscillator
• OCVCXO - ovn-kontrollerede spændingsstyret krystaloscillator
• OCXO - Ovn-krystaloscillator
• RbXO - Rubidium krystaloscillatorer (RbXO), en krystaloscillator (kan være en MCXO) synkroniseret med en indbygget rubidiumstandard, der kun køres lejlighedsvis for at spare strøm
• TCVCXO -Temperaturkompenseret spændingsstyret krystaloscillator
• TCXO -Temperaturkompenseret krystaloscillator
• TMXO - Taktisk miniaturekrystaloscillator
• TSXO -Temperaturfølende krystaloscillator, en tilpasning af TCXO
• VCTCXO -Spændingsstyret temperaturkompenseret krystaloscillator
• VCXO -Spændingsstyret krystaloscillator

Se også

• Urgenerator
• Urdrift - Clock drift målinger af krystaloscillatorer kan bruges til at bygge tilfældige talgeneratorer .
• Krystal filter
• Erhard Kietz arbejder med elektroniske tuning gafler og med kvartskrystaller til præcise signalfrekvenser
• Issac Koga -opfinder af det temperaturstabile R1 Koga-snit
• Pierce oscillator
• Kvarts krystal mikrobalance ved hjælp af krystaloscillatorer til vejning af ekstremt små mængder.
• Tyndfilmstykkelsesmonitor
• VFO -variabel frekvensoscillator

Referencer

Yderligere læsning

• Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (19. oktober 2012). "Krystaloscillatorer". Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering . s. 1–38. doi : 10.1002/047134608X.W8154 . ISBN 978-0471346081.
• Rohde, Ulrich L. (august 1997). Mikrobølgeovn og trådløse synthesizere: teori og design . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-52019-1.
• Poddar, AK; Rohde, Ulrich L. (21. – 24. Maj 2012). Teknikker minimerer fasestøj i krystaloscillator kredsløb . Frequency Control Symposium (FCS), 2012 IEEE International. IEEE. doi : 10.1109/FCS.2012.6243701 .
• Poddar, AK; Rohde, UL; Apte, AM (30. august 2013). "Hvor lavt kan de gå ?: Oscillatorfase -støjmodel, teoretisk, eksperimentel validering og fasestøjmålinger". Mikrobølge magasin . IEEE. 14 (6): 50–72. doi : 10.1109/MMM.2013.2269859 . S2CID  22624948 .
• Rohde, Ulrich L .; Poddar, AK; Apte, AM (30. august 2013). "Få sit mål: Oscillatorfase Støjmålingsteknikker og begrænsninger". Mikrobølge magasin . IEEE. 14 (6): 73–86. doi : 10.1109/MMM.2013.2269860 . S2CID  40924332 .
• Rohde, Ulrich L. (31. maj - 2. juni 1978). Matematisk analyse og design af en ultralav støj 100 MHz oscillator med differentialbegrænser og dens muligheder i frekvensstandarder . Forhandlinger om det 32. årlige symposium om frekvenskontrol. Atlantic City, NJ. s. 409––. doi : 10.1109/FREQ.1978.200269 .
• Neubig, Bernd; Briese, Wolfgang (1997). Das große Quarzkochbuch [ The Crystal Cookbook ] (PDF) (på tysk) (1 udgave). Feldkirchen, Tyskland: Franzis Verlag . ISBN 978-3-7723-5853-1. Arkiveret fra originalen (PDF) den 2019-02-23 . Hentet 2019-02-23 .(Alternative downloads: QSL : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . AXTAL ZIP : - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .)

eksterne links

• Introduktion til kvartsfrekvensstandarder
• "Hvad er en kvartskrystal -enhed?" . QIAJ . Kvarts krystalindustri assoc. af Japan. 2007 . Hentet 2008-08-10 .
• Marvin E., Frerking (1996). "Halvtreds års fremskridt inden for kvarts krystalfrekvensstandarder" . Proc. 1996 IEEE Frequency Control Symposium . Institut for Elektriske og Elektroniske Ingeniører. s. 33–46. Arkiveret fra originalen 2009-05-12 . Hentet 2009-03-31 .
• Forvridninger i krystaloscillatorer
• Kvartskrystalresonatorer og oscillatorer
• Oversigt over flere sider af kvartskrystaller og deres oscillatorer, filtre osv