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一种LGS晶体谐振器振荡器

阅读:707发布:2023-02-05

专利汇可以提供一种LGS晶体谐振器振荡器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种LGS晶体 谐振器 和 振荡器 ,以及LGS晶体谐振器的制备方法,所述LGS晶体谐振器包括 外壳 、连接在外壳上的两个管脚和位于外壳内的两个 电极 ,每个电极分别通过引线连接一个管脚,其特征在于:所述电极具体为表面 镀 有电极材料的Y-30°切向LGS晶片,所述Y-30°切向LGS晶片是通过对LGS晶体原料按照Y-30°切向切割而成的晶片。所述LGS 晶体振荡器 中的晶体为所述LGS晶体谐振器。本发明机电耦合系数更高、频带宽度更宽、响应时间更短、品质因素值更高。,下面是一种LGS晶体谐振器振荡器专利的具体信息内容。

1.一种LGS晶体谐振器,包括外壳、连接在外壳上的两个管脚和位于外壳内的两个电极,每个电极分别通过引线连接一个管脚,其特征在于:所述电极具体为表面有电极材料的Y-30°切向LGS晶片,所述Y-30°切向LGS晶片是通过对LGS晶体原料按照Y-30°切向切割而成的晶片。
2.根据权利要求1所述的LGS晶体谐振器,其特征在于:所述电极通过封装后放置在电极壳体内,所述电极壳体内充有惰性气体。
3.一种LGS晶体谐振器的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
将LGS晶体原料按照Y-30°切向切割成两个LGS晶片;
在每个LGS晶片的表面上镀上电极材料,制成两个电极;
分别从两个电极上焊接引线,引线引出连接两个管脚;
用外壳封装,形成Y-30°切向的LGS晶体谐振器。
4.根据权利要求3所述的LGS晶体谐振器的制备方法,其特征在于:外壳封装前,先将两个电极外加上封装和电极外壳,将惰性气体冲入电极外壳内。
5.一种LGS晶体振荡器,其特征在于:该振荡器内的晶体谐振器为权利要求1或2所述的LGS晶体谐振器。
6.一种LGS晶体振荡器,其特征在于:该振荡器采用Pierce并联晶体振荡电路,电路内的晶体为权利要求1或2所述LGS晶体谐振器。
7.根据权利要求6所述的LGS晶体振荡器,其特征在于:该振荡器还包括:
谐波抑制电路,连接所述Pierce并联晶体振荡电路,用于抑制其输出信号中的杂波和噪声的干扰;以及
增幅电路,连接所述谐波抑制电路,用于将其输出信号放大。
8.根据权利要求7所述的LGS晶体振荡器,其特征在于:该振荡器还包括波形转换电路,连接所述增幅电路,用于将增幅电路的输出信号转换为预设格式的波形。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的LGS晶体振荡器,其特征在于:所述Pierce并联晶体振荡电路具体包括晶体管和权利要求1所述的LGS晶体谐振器,所述晶体管的集电极通过一个LC并联电路连接第一端,发射极通过一个RC并联电路连接第二端,基极分别通过一个电容和一个电阻连接第一端,还通过一个电阻连接第二端,所述LGS晶体谐振器一端连接所述晶体管的基极,另一端通过一个电容连接所述晶体管的集电极;其中,所述第二端接地,所述第一端和所述第二端之间的电压差作为所述Pierce并联晶体振荡电路的输出,与所述谐波抑制电路的输入端相连接。
10.根据权利要求8或9所述的LGS晶体振荡器,其特征在于:所述谐波抑制电路的输出端,与增幅电路的输入端相连接,所述波形转换电路的输入端连接增幅电路的输出端,所述波形转化电路的输出信号作为晶体振荡器的输出,输出预设格式的波形。

说明书全文

一种LGS晶体谐振器振荡器

技术领域

[0001] 本发明涉及电子器件,尤其涉及一种LGS晶体谐振器及振荡器。

背景技术

[0002] 在电子系统中振荡器由来就扮演着十分重要的色,可以说它是电子系统中的心脏。1880年皮埃尔·居里和雅克·居里两兄弟首次揭示压电效应之前,振荡器的核心为LC或者RC电路,因此其振荡频率也相应的取决于振荡电路的电感值和电容值,即:L和C值,这两个值只要有一方,或者两方都发生微小变化,都会大大影响振荡器的频率稳定性,所以这种振荡器的频率稳定性不太理想,大概在10-2-10-4数量级范围之间,无法满足越来越高精确度的多种应用场合。随后的几十年里,大量的科学家投入到石英晶体压电效应的研究中来。
[0003] 传统的晶体振荡器是谐振器件,它是根据SiO2晶体(石英晶体)的压电效应制成的,由于石英晶体本身所具有的特性,在应用中存在较大的频温偏移,特别是一些高频高稳定度的场合,机电耦合系数较低,频带宽度较窄,等效串联阻抗较大,品质因素Qq值较低,采用一般的温度补偿方式也不能很好的满足应用要求,所制成的晶体振荡器的频率响应时间较长,品质因素Q值较低,不能满足很多极端生产的场合。

发明内容

[0004] 发明目的:本发明针对现有技术存在的问题,提供一种LGS(La3Ga5SiO14)晶体谐振器及振荡器,相较于传统石英晶体谐振器,机电耦合系数更高、频带宽度更宽、响应时间更短、品质因素Qq值更高,相比传统的石英晶体振荡器,本发明的振荡器频率响应时间更短,更稳定,品质因素Q值更高。
[0005] 技术方案:本发明提供了一种LGS晶体谐振器(简称LGS晶体),包括外壳、连接在外壳上的两个管脚和位于外壳内的两个电极,每个电极分别通过引线连接一个管脚,所述电极具体为表面有电极材料的Y-30°切向LGS晶片,所述Y-30°切向LGS晶片是通过对LGS晶体原料按照Y-30°切向切割而成的晶片。所述电极通过封装后放置在电极壳体内,所述电极壳体内充有惰性气体。
[0006] 上述LGS晶体谐振器的制备方法,具体包括如下步骤:
[0007] 将LGS晶体原料按照Y-30°切向切割成两个LGS晶片;
[0008] 在每个LGS晶片的表面上镀上电极材料,制成两个电极;
[0009] 分别从两个电极上焊接引线,引线引出连接两个管脚;
[0010] 用外壳封装,形成Y-30°切向的LGS晶体谐振器。
[0011] 进一步的,外壳封装前,先将两个电极外加上封装和电极外壳,将惰性气体冲入电极外壳内。
[0012] 本发明提供了一种LGS晶体振荡器,其内部电路采用的晶体谐振器为上述LGS晶体谐振器。
[0013] 本发明还提供了另一种LGS晶体振荡器,该振荡器采用Pierce并联晶体振荡电路,电路内的晶体上述LGS晶体谐振器。
[0014] 进一步的,该振荡器还包括:
[0015] 谐波抑制电路,连接所述Pierce并联晶体振荡电路,用于抑制其输出信号中的杂波和噪声的干扰;以及
[0016] 增幅电路,连接所述谐波抑制电路,用于将其输出信号放大。
[0017] 进一步的,该振荡器还包括波形转换电路,连接所述增幅电路,用于将增幅电路的输出信号转换为预设格式的波形。
[0018] 所述Pierce并联晶体振荡电路具体包括晶体管和上述LGS晶体谐振器,所述晶体管的集电极通过一个LC并联电路连接第一端,发射极通过一个RC并联电路连接第二端,基极分别通过一个电容和一个电阻连接第一端,还通过一个电阻连接第二端,所述LGS晶体谐振器一端连接所述晶体管的基极,另一端通过一个电容连接所述晶体管的集电极;其中,所述第二端接地,所述第一端和所述第二端之间的电压差作为所述Pierce并联晶体振荡电路的输出,与所述谐波抑制电路的输入端相连接。所述谐波抑制电路的输出端,与增幅电路的输入端相连接,所述波形转换电路的输入端连接增幅电路的输出端,所述波形转化电路的输出信号作为晶体振荡器的输出,输出预设格式的波形。
[0019] 有益效果:本发明与现有技术相比,其显著优点是:
[0020] 1、本发明提供的LGS晶体谐振器,对LGS晶体原料采用Y-30°切向切割后制成,相较于传统石英晶体谐振器,机电耦合系数更高、频带宽度更宽、效串联阻抗更小,品质因素Qq值更高;
[0021] 2、本发明提供的LGS晶体振荡器,内部晶体采用本发明特制的LGS晶体谐振器,相比较传统使用石英晶体谐振器构成的石英晶体振荡器,频率响应时间更短,更稳定,品质因素Q值更高,可以满足很多极端生产的场合,例如高频高稳定度的场合。附图说明
[0022] 图1是本发明提供的LGS晶体谐振器的等效电路图;
[0023] 图2是晶体谐振器频率与电抗曲线示意图;
[0024] 图3是本发明提供的LGS晶体振荡器的结构框图
[0025] 图4是图3中Pierce并联晶体振荡电路的实际电路图;
[0026] 图5是Pierce并联晶体振荡电路的基本电路示意图;
[0027] 图6是Pierce并联晶体振荡电路的等效电路原理图。

具体实施方式

[0028] 本实施例首先提供了一种LGS晶体谐振器(简称LGS晶体),包括外壳、连接在外壳上的两个管脚和位于外壳内的两个电极,每个电极分别通过引线连接一个管脚,所述电极具体为表面镀有电极材料的Y-30°切向LGS晶片,所述Y-30°切向LGS晶片是通过对LGS晶体原料按照Y-30°切向切割而成的晶片。所述电极通过封装后放置在电极壳体内,所述电极壳体内充有惰性气体。
[0029] 本实施例还对应提供了上述LGS晶体谐振器的制备方法,具体包括如下步骤:
[0030] (1)将LGS晶体原料按照Y-30°切向切割成两个LGS晶片;
[0031] (2)在每个LGS晶片的表面上镀上电极材料,制成两个电极;
[0032] (3)分别从两个电极上焊接引线,引线引出连接两个管脚;
[0033] (4)将两个电极外加上封装和电极外壳,将惰性气体冲入电极外壳内。
[0034] (5)用外壳封装,形成Y-30°切向的LGS晶体谐振器。
[0035] 下面对本实施例提供的LGS晶体性能进行分析。
[0036] 由于LGS晶体具有正逆压电效应,如果施加的电场以一定的频率交变,则LGS晶体就会产生机械震动,当交变电场的频率等于LGS晶体本身所固有的频率时,震动将会最剧烈。反之,若给LGS晶体薄片在一定方向上施加物理应时,晶体内部的电偶极矩则会相应变短,此时LGS晶体为抵抗电偶极矩的变化会在相对表面上产生等量正负电荷,形成电场,所产生的电荷量基本上与形变量成正比关系。
[0037] 本实施例提供的LGS晶体可以等效为一个串联谐振电路,等效电路如图1所示。图1中Lq为动态电感,C0为两端镀电极的电容,Cq为动态电容,与晶体结构的弹性相关联,R<J等效为动态电阻,反映了晶体内部摩擦的机械巧损。
[0038]
[0039]
[0040] 由式(1)可知,由于该Y-30°切向LGS晶体Lq/Cq值比较大,导致晶体具有很高的Qq(品质因数)值,所以该晶体能够很轻易的维持其振荡频率不变。另外由式(2)可以得出LGS晶体与有源器件的插入系数n很小,一般为10-3~10-4量级,使得LGS晶体振荡器的振荡频率很难受外界不稳定因数的影响,所以综上分析可知,Y-30°切向LGS晶体振荡器有着非常不错的频率稳定性。
[0041] 由图1LGS晶体的等效电路可以看出,它是一种复式谐振电路,所以它本身存在着两种频率,一种是自然振动频率也就是串联谐振频率fq,另一种自然就是并联谐振频率fp,具体公式参考式(3),(4),因为晶体的Cq<
[0042]
[0043]
[0044] 由基本电路分析理论可知,图1所示等效电路图的阻抗公式为式(5):
[0045]
[0046] 因为R0对该分析的影响往往很小,可忽略不计,又能使分析简单,所以阻抗变为式(6):
[0047]
[0048] 联合式(3)、(4)并化简得式(7):
[0049]
[0050] 综上可知,电抗x随频率变化而变化,与f成一定的函数关系。具体变化关系为:
[0051] A、当f
[0052] B、当f=fq时,等效电路发生串联谐振,电路中的有效电抗为零;
[0053] C、当fq
[0054] D、当f=fp时,等效电路发生并联谐振,两支路容抗和感抗相等,电抗为无穷大;
[0055] E、当f>fp时,等效电路又为容性,具体的关系曲线如图2所示。
[0056] 将本实施例的LGS晶体与其他晶体进行实验对比,相关参数如表1所示,由表可知,LGS具有更高的机电耦合系数与更大的频带宽度;再对比石英晶体与LGS晶体各切向参数,如表2所示,由表可知,该Y-30°切向结构具有频率响应时间更短的特点。
[0057] 表1
[0058]
[0059] 表2
[0060]材料 切向 v/m/s k/% 备注
石英 AT 3321 8.8 高稳定切向
LGS Y-30 2833 14.8 初步优化高稳定切向
[0061] 本实施例还提供了一种LGS晶体振荡器,包括Pierce并联晶体振荡电路、谐波抑制电路、增幅电路和波形转换电路,其连接关系如图3所示,Pierce并联晶体振荡电路内的晶体为上述LGS晶体谐振器,其为主振电路,谐波抑制电路连接所述Pierce并联晶体振荡电路,用于抑制其输出信号中的杂波和噪声的干扰;增幅电路连接所述谐波抑制电路,用于将其输出信号放大,波形转换电路连接所述增幅电路,用于将增幅电路的输出信号转换为预设格式的波形。谐波抑制电路、增幅电路、波形转换电路均为现有技术电路,未做改进,因此不作阐述。
[0062] 如图4所示,Pierce并联晶体振荡电路具体包括上述LGS晶体谐振器和一晶体管,所述晶体管的集电极通过一个LC并联电路连接第一端,发射极通过一个RC并联电路连接第二端,基极分别通过一个电容和一个电阻连接第一端,还通过一个电阻连接第二端,所述LGS晶体谐振器一端连接所述晶体管的基极,另一端通过一个电容连接所述晶体管的集电极。其中,所述第二端接地,所述第一端和所述第二端之间的电压差作为所述Pierce并联晶体振荡电路的输出,与所述谐波抑制电路的输入端相连接。所述谐波抑制电路的输出端,与增幅电路的输入端相连接,所述波形转换电路的输入端连接增幅电路的输出端,所述波形转化电路的输出信号作为晶体振荡器的输出,输出预设格式的波形。
[0063] Pierce并联晶体振荡电路的原理图如图5所示,小信号等效电路图如图6所示,由图可知Pierce电路的接地点在发射级,因而实际设计电路如图4所示。图4中的L为晶体管的集电极提供偏置的直流电流的电感元件,R1、R2分别是电容C1、C2的损耗电阻与放大器两端电阻的并联电阻,图中,有两个电容采用C1标识,表示两个电容为同一型号同样大小,图6中的Ri是与放大器输入端相并联的电阻。分析图4中电路可得出它们的阻抗表达式为:
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] 而共射级晶体管的输出电流与输入电压的比值满足式(11):
[0068]
[0069] 由于Pierce振荡电路是并联晶体振荡器振荡电路的一种基本形式,故也满足并联晶体振荡器的复数振荡方程(12):
[0070] gmZ1Z3+Z1+Z2+Z3=0  (12)
[0071] 将式(8)与式(11)代入式(12)可得:
[0072]
[0073] 晶体振荡器的稳幅振荡条件是上式(13)的实部等于零,而由前文分析可知R1,R2对振荡电路的影响很小,可以忽略不计,故:
[0074]
[0075] 又因为:
[0076]
[0077] 故:
[0078]
[0079] 式中,β0代表共射级晶体管的低频电流放大倍数,Ri见图6。
[0080] 式(16)给出的是该主振电路起振的Re值,Re值越大,该主振电路越容易起振。想要增大Re一般有两种方法,即增大β0,或者减小C1、C2。但是在实际操作中,并不是β0越大越好,过大的β0反而会使晶体振荡器的在线Q值降低,同样C1、C2的值也不是越小越好,相反更希望C1、C2的值相对大些,来忽略晶体管电容和电路中其他电容的不利影响,这样就能使晶体振荡器具有较大的在线Q值。所以不能单纯的只从满足振幅平衡条件这一方面来考虑,还需要结合振荡器的相位平衡条件来综合设计。
[0081] 晶体振荡器的相位平衡条件是式(13)中的虚部等于零,故:
[0082]
[0083] 将式(16)代入上式得到Xe的方程:
[0084]
[0085] 设负载电容的容抗为 有 又因为负载电容满足式(19),故上式可得:
[0086]
[0087]
[0088]
[0089] 由于忽略R1和R2,Ct远小于C1和C2,则式(20)(21)可以化简:
[0090]
[0091] CL≈Ct  (23)
[0092] 综上分析可以得出晶体振荡器的Q值方程为:
[0093]
[0094] 由上式可以分析得出晶体振荡器的Q值与Ct息息相关,而Q值又决定着晶体振荡器的频率稳定性。所以想要频率稳定度高的晶体振荡器,Ct的取值是关键。Ct过大或者过小都不能满足要求,如何合理的取值还需要根据实际情况加以分析。
[0095] 本实施例的振荡器中的电路采用c-b(集电极—基极)电路,能灵活地实现晶体与阻抗匹配,通过调整Ct,可以实现频率响应时间更短,更稳定,品质因素Q值更高。
[0096] 此外,在其他实施例中,LGS晶体振荡器还可以采用其他电路,例如,申请号为201410261203.6和201610793918.5的电路等等,只是其中的晶体换成了上述实施例中的LGS晶体。
[0097] 以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已,不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。
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