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技術辞典
  • 1石英晶体と周波数制御素子
  • 石英は、シリコン原子と酸素原子を組み合わせた二酸化シリコンで、32点群の六方晶系によって形成された単結晶構造[図一]・単結晶の石英結晶構造は、電圧効果を有している。圧力をかけて結晶のある方向において、垂直に力を入れる方向で電気電位を産む。石英晶体のいくつかの軸に加えて、もういくつかの方向に変形や振動が発生します。単結晶石英材料のこのような電圧効果を把握し、それを利用して共振周波数の特性を発生させ、その精度を発揮する各タイプの周波数信号の参考基準として、水晶振動器の設計と応用である。石英の材料を基にして、石英をベースにした周波数制御素子は、その圧電振動の属性によって、体波振動素子及び表面音波振動素子に分けることができる。体波振動素子は、石英晶体共鳴子、石英晶体フィルタ及び石英晶体発振器、表面波振動素子は、表面波フィルター及び表面波共鳴子のように、石英晶体が特定のカット方式で、機械加工方式で表面研磨を行い、特定の外型サイズを完成させたものである。この石英晶片は、真空の境に置かれており、表面に電極をつけた後、金属や陶磁器の基座に、導電材料を固定して固定し、一般のいわゆる石英晶体共鳴子となります。石英共鳴時の低インピーダンス特性及び波の重複特性を利用して、近隣の両電極を使用します。石英晶体フィルタ.石英発振子に異なる電子発振線を加えて、異なる特性の石英発振器を作ることができます。例えば:石英時の脈発振器(CXO)、電圧制御石英結晶発振器、温度補償石英結晶発振器、恒温槽は石英結晶発振器を制御します...などは、体波に対して共振するのが表面の音波の共振であり、石英晶体の表面をフォークの電極方式で生成した表面発振波を、短波長(高周波数)の共振を生み出した表面音波フィルタや表面音波フィルタを作ることができる。
  • 2石英晶体の電圧特性
  • 石英材料の中の二酸化シリコン(SiO 2)の正常な状態の下で、その電人形は非常に互いにバランスのとれた電気の中性であり、(図2左)の二酸化シリコンは二次元空間の簡素化の図形である。私たちは、シリコン原子の上と酸素原子下にそれぞれ正電場と負電気場を与える時に、空間システムは電位バランスを維持するために、2つの酸素を維持する。原子力は互いに排斥して、酸素原子下にある感電場区域を形成して、同時にシリコンの真上で感電場区域を発生させます。それに反して、私たちがシリコン原子の上と酸素原子下にそれぞれ負電場と正電場にそれぞれ与えられたときに、2つの酸素原子は互いに接近し、酸素原子の下に感電場が発生します。しかし、酸素原子の水平位置が変化したときには、近隣の別の酸素原子の相対的な反発や引き付けの力が発生し、酸素原子を元の空間に戻すことになります。そのため、電界の力と原子間の力は相互に牽引し、電界の変化は水と平方になります。その変化は交互作用の状態を形成します.この相互作用は石英の材料の消費エネルギーの最小の振動の状態を形成して、電気の場から持続的にエネルギーを与えるだけで、石英の材料は電気の場との間の共鳴の周波数を維持することができます.
    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矽的向量角度有相对应的关系.在实际的应用上, 电场是由镀在石英晶片上的金属电极产生, 电场与二氧化矽的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定.この圧電効果では酸素原子の振幅と電界強度と電界の二酸化シリコンのベクトルの角度が相対的な関係がありますが、実際の応用では、電界が石英結晶にめっきする金属の電極から発生しており、電界と二酸化シリコンのベクトルの角度は石英晶棒のカット角度から決定されます。


    (Fig. 2) Simplified one dimensional piezoelectricity of SiO2
  • 3石英晶体の振動型
  • 石英カット角度及び電極型状の電界効果を経て、石英晶片は様々な振動型を表現しています。常に発生した振動型は、バイブ型、伸縮型、面カットモード、厚みのカット型として、さまざまな振動型が表示されます。このようないくつかの振動型は、簡単な方法で表一の中で見ることができます。実際の状況の中で、石英晶片は、必ずしも単一の振動型だけではなく、1つの石英晶片の振動で、適切な設計を通じて、他の望まない振動型を抑えることができます。が、主な振動型の最適化に達する。

    〔Table 1〕Vibration Mode and Cut Angle.
  • 4石英晶体の周波数と温度特性
  • 大部分の石英結晶製品は電子回線における参考周波数基準または周波数制御素子であるため、周波数と作業環境温度の特性は重要なパラメータである。実際に、良好な周波数や温度特性も、石英が周波数素子の主要要素の一つとして使用される。また、石英結晶素子は、100万分の1単位での周波数誤差の範囲を容易にすることができる。LCR部品を離散回路で高周波発振線を構成すると、小量生産規模に必要な参照周波数信号誤差がppmまたはsb - ppmレベルで要求されるが、このような方式では産業が達成する量産規模を満たすことができない。簡易的に達成されたものは、数種類の石英結晶カット角度の周波数の温度特性曲線を提供しています。


    〔Fig.4〕Frequency-temperature characteristics of various quartz cuts.

    様々な種類のカット角度において、AT角度カットの石英結晶は数カ国で数百℃までの周波数範囲を適用し、石英晶片の応用範囲の最も広い範囲と使用数が最も多いカットアプリケーションである。(図5)は、石英晶棒X -軸向きの上ビューで、Z -軸への回転約35度のAを見ることができるT方向.これは大量に生産する技術の上でも非常に達成する一つの作業方式である.


    ( Fig.5 ) Orientation of AT plat

    (図6)は、ATカット角度から厚さの振動モジュールの周波数に変化する温度特性の展開図である。図には、常用する室温摂式25度が相対化し、ATカットの最大の利点は、周波数に対する温度変化が1元三次曲線である。この特性は、かなり広い温度範囲の下、ATカットの温度曲線の第1段と第二段は常数ゼロ、第三段の常数は、周波数の変化値を決める。


    (Fig. 6) AT - cut frequency-temperature characteristics.
  • 5石英晶体共鳴子の等効線及びパラメーター
  • (図7)および(b)はそれぞれDIP型およびSIT型の石英発振子の基本構造図である(図7)(図7)(c)は電子回路の上で使用する石英発振子の電子記号である。石英晶体共鳴子が発振周波数を離れた場合、石英晶体共振子は1つのコンデンサの素子で、周波数が石英晶に近い体の振動周波数は、電気的な感性の等効LF発振線に近い。


    (Fig. 7) (a) Metal can type resonator
    (b) Ceramic SMD type resonator
    (c) Symbol of crystal usnit

    (図8)とは、石英晶体共鳴子を発振周波数付近に変換するBVD - Van Dyke(BVD)等の回路である。この図には、4つの主要なパラメータ:静的コンデンサ- Co、ダイナミックコンデンサ- C 1、ダイナミック電感- L 1とダイナミック抵抗- R 1があります。


    〔Fig.8〕Effective Circuit of Crystal
  • 6共振周波数( Resonance Frequency )
  • 技術文献及び製品アプリケーションでは、石英晶体共鳴子の共鳴は、異なる定義と特性の共鳴周波数がある。

    1. シリアル共振周波数及び並列共振周波数 ( fs , fp )
    (series resonance frequency and parallel resonance frequency)
    2. 共振周波数及び逆共振周波数 ( fr , fa )
    (resonance frequency and anti-resonance frequency)

    3. 最大電導周波数及び最小電導周波数 ( fm , fn )

    (maximum admittance frequency minimum admittance frequency).

    この3組の周波数の伝導図は、(図9)の複数の座標をはっきり見て見ることができる



    〔Fig.9〕 Complex Admittance of Resonators

    偕振れ周波数及び併合偕走周波数, fs and fp ,は、電導最大とインピーダンスの最大時の頻度である。
    共振周波数及び逆共振周波数, fr and fa , それぞれは、電導などゼロ(純電気抵抗特性)の2つの周波数である。このときに、frのインピーダンスは1 / Rrで、faのインピーダンスは1 / Raとなる。
    共鳴時の等効線を評価する場合、共振周波数及び並列共振周波数は、最も重要な2つの周波数パラメータである:

    公式のC 1及びL 1はそれぞれ(図7)のダイナミックコンデンサとダイナミックな電感である。


  • 7名辞がある
  • (1) 公称周波数及び許容誤差( Nominal Frequency and Tolerance )

    正しい発振線にマッチして、発振線から出力される周波数を「公称周波数」と呼ぶ( nominal frequency )”. 周波数単位は一般的に兆ヘルツである( megahertz, MHz) または 仟赫(Kilohertz, KHz)表示する.

    実際の量産および発振線の応用において、製品は室温環境(25 oC)の中には、中心の周波数に対する周波数散布誤差があります。このタイプの周波数許容誤差の最大の散布値があります,一般的にはppm ( parts per million )または% ( percent )表示する

    (2) 基本波振動と倍振動型( Fundamental and Overtone Vibrations Mode)

    ATカット角度の石英晶体共鳴子は主に厚さカット発振型が存在しています。石英晶体が共鳴する際には、基本波振動のほかに、高段の倍共振も、基本波振動と同時に石英晶体の電極領域との間に存在していますが、電圧材料の電極は電気の位相の反対の振動である。そのため、奇数倍の高周波数が発生し、偶数倍の倍の共振が石英晶体共鳴子には存在しない(図10)。

    (Fig.10) Only odd number harmonic vibrations can be excited in crystal resonator

    (3) 負荷コンデンサ ( Load Capacitance, CL )

    発振線上の負荷コンデンサは、石英晶体共鳴子の2つの端子から振動線に遭遇する全てのコンデンサを見ます。負荷コンデンサは、線路上で石英晶体共鳴子と並列に接続することができます。公称周波数の特性

    この負荷コンデンサ並列回線の共振周波数はfLで表示されます :

    (4) 温度に対する温度の安定性( Frequency-Temperature Stability )

    石英の周波数は温度変化によって変化します。これは、石英の材料がそれぞれの座標を軸にした熱膨張係数によって異なります。温度変化時には、各軸は結晶から少しずつ変化が生じます。

    ATカット角度の厚みを切る振動型のデザインは、通常は摂氏25度を参考温度点とした周波数を用いて、作業環境の温度範囲内での周波数変動の安定性を定義しています。この頻度で温度安定性パラメータを定義するとともに、相対的な作業環境温度範囲を定義します(Operation Temperature Range)

    石英の周波数素子の周波数は、温度の安定性の特性に対して、公称周波数の誤差のように、ppmまたは%を計量単位である。素子の周波数温度特性曲線と石英の切断角度、振動型、表面処理、外型サイズにも大きな関係がある。駆動電力の特性は、発振回路の出力周波数が温度変化に対する安定性にも影響を与える。

    (5) 等効連隊 ( Equivalent Series Resistance , ESR)

    石英晶体の直列振動がfsの時、C 1とL 1は逆の位相で相殺され、共鳴子のダイナミックな腕の伝納は最小インピーダンス値R 1に近いが、この時の石英晶体共鳴子の表現はただ1つの抵抗性のある素子である。電気抵抗値R 1は全体の素子の機械的エネルギー損耗である。その中には石英材料が含まれているそして、材料及び封入材料のエネルギー損耗に続いて.

    (6) ダイナミックコンデンサ( Motional Capacitance C1 ) 動的な電感( Motional Inductance L1 )

    数式の1つの中で、ダイナミックコンデンサC 1およびダイナミック電気感覚L 1は、直列に連絡する周波数、fs、互いに関連している。
    実際の量測定システムにおいて、私たちのエネルギーは、ダイナミックコンデンサC 1およびシリアル協働協賛周波数fsにのみ測定され、動的電感L 1は公式(4)から計算されます。

    (7) 静的コンデンサ( Static Capacitance or Shunt Capacitance, Co )

    静静コンデンサ、Coは、主に石英晶片が介電材料と2つの電極によって形成されたコンデンサから来ている。
    静的コンデンサは、振動周波数の近くにあるダイナミックコンデンサの影響を回避するための周波数の範囲で測定されます。

    式(5)では、Aの電極の面積、dを代表する石英晶片の厚さ、εは石英晶片の相対応介電値である。Cm + pは他の材料から発生するコンデンサである

    (8) 駆動電力( Drive Level )

    石英晶体の駆動電力は、石英晶体共鳴子の消費電力を指します。一般的に、マイクロワール(microwatt)表示.発振線の設計には適切な電力を提供しなければなりません。石英晶体共鳴子は振動して振動を維持します。石英晶体の振動は物理的な高周波機械の振動で、振動時の電気は抵抗します10~100オム以下(周波数範囲及びサイズの大きさによって差がある)は約10~100で、発振線が高すぎる駆動電力を提供すれば、石英晶体の非線形特性の変化や石英/電極/続いて材料の中間の悪化、さらに発振周波数FL及び等効抵抗R 1の過度の変化をもたらす。動電力の下で仕事をして、不安定な現象があります。各種の応用面の低消費電力需要と製品の小形化の傾向に従って、さらに数年の石英製品の技術は大幅に向上し、石英晶体共鳴子の電気インピーダンスは全体が下がって安定しています。発振線の設置は必要なく、高すぎる駆動を提供するべきではありませんエネルギーは石英晶体共鳴子の上にあり、絶大部分の応用面にとって、発振線は10~100マイクロワット(microwatt)の最大電力を提供する(石英共鳴子のサイズと周波数によって)石英共鳴子に十分である。

    (9) 電気品質因子( Quality Factor, Q )

    石英晶体共鳴子については、電気品質因子Qは非常に重要な特性であり、電気品質因子は次の公式(6)で表示することができる

    石英晶体の共振子の品質因子は数百万以上に達することができる.

    (10) 牽引率( Pullability ) 敏感度( Trim Sensitivity )

    石英晶体共鳴子は、並列発振線に適用されており、発振周波数と負荷コンデンサCLは大きな関係がある。これは、前の公式(3)で見ることができる。(図11)は、並列発振線上のFL周波数に対する負荷コンデンサCLの変化曲線を示す。

    周波数の「牽引率」は、負荷コンデンサ1の周波数フラッシュ1、負荷コンデンサ2の周波数フラッシュ2の周波数変化を指す。(図11)には、V 1(CL=24 pF)と、V 2(CL=10 pF)の周波数変化値がある。この例での周波数牽引率は220 pmである。上の微分

    (図11)では、CL = 24 pFの時の周波数敏感度は10 ppm/pF、およびCL = 10 pF時の周波数敏感度は20 ppm/pFである。並列回線において負荷コンデンサが小さくなるほど、周波数の負荷の変化に対する敏感度が高いほど、負荷コンデンサーが大きくなるほど、周波数の負荷の変化に対する敏感度が低くなる。振子はVCXO線の上で、線路の設計上は小さい負荷コンデンサを選択します。逆に、正確な周波数信号を要求するときには、ラインデザインに高い負荷コンデンサを選択します。

    (Fig. 11) Frequency variation vs. load capacitance

    (11) 老朽化( AGING )

    「老化」というのは、ある特定の時間の範囲内で、石英晶体共鳴子が時間の周波数変化によって、百万分の1を表す単位であり、周波数と時間の特性曲線を老化して、一般的に指数の変化を呈することが一般的である。素子が作った最初の月は、その後、周波数の変化は時間が次第に減少してきた。周波数の老化特性はいくつかの要因が影響している。例えば、パッケージの方法、材料の種類、工程温度、制程パイプ制御、熱処理過程、製品のサイズや周波数の高低がある。期間(1~3ヶ月)または長期(1~10年)の頻度の老化需要

    (12) 温度範囲を貯蔵する( STORAGE TEMPERATURE RANGE )

    このパラメータは、前の仕事環境の温度範囲のほかに、温度に関する特性として、温度範囲を格納します。このパラメータは、製品が静静的な状況下に蓄積された最高と最低温度範囲を指します。この温度範囲内では、製品は長期間の蓄積を保証する必要があります。この特性は、石英晶体共鳴子の素子設計及び工程設計に大きな関係があり、注意の定義が必要です。

    (13) マイナスインピーダンス(Negative Resistance , - R )

    マイナス性インピーダンスとは、石英晶体共鳴子の2つの端子から発振線に向かって過去を見て、発振線の振動周波数時のインピーダンス特性値に遭遇した。発振線上で十分な増幅値を提供しなければならない。製品のパラメーターは、発振線の重要な特性パラメータである。共鳴子の角度から言えば、発振線のマイナスインピーダンスである。

  • 8石英結晶発振器( CRYSTAL OSCILLATORS )
  • 石英共鳴子と発振線あるいは集積回路(IC)を1つのパッケージ内に統合し、外部から電源電圧を提供し、アクティブ素子の出力周波数信号を形成し、いわゆる石英晶体発振器である。異なる特性需要の参考頻度(reference frequency). 例えば石英時の脈発振器SPXO ( Simple Package Crystal Oscillator ) あるいは CXO ( Clock Crystal Oscillator ), 可能性石英結晶発振器PCXO ( Programmable Crystal Oscillator ),電圧制御石英結晶発振器VCXO ( Voltage Controlled Crystal Oscillator ), 温度補償石英結晶発振器TCXO ( Temperature Compensated Crystal Oscillator )及び恒温槽制御石英結晶発振器OCXO ( Oven Controlled Crystal Oscillator ).

    アプリケーション面の需要を満たすためには、石英晶体発振器内部の発振線は、基本波または3倍の周波数である。メガヘルハの出力周波数を達成するには、発振線後級はロック回路方式や倍の周波数を採用し、低周波数の石英発振周波数を向上させる。ビットおよび出力波形には、CMOS, LVPECL, LVDS….のような様々なニーズがあります。等.これらの規格はよく定義しなければならない.
    (図12)数種類の石英発振器の出力周波数の温度変化に対する安定性を示す。

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