23. Seminar Radijske Komunikacije Piezoelektrični rezonatorji v radijski tehniki Matjaž Vidmar LSO, FE, Ljubljana, 31.1. 2.2.2018
Seznam prosojnic predavanja: Piezoelektrični rezonatorji v radijski tehniki 1 Vloge silicija v telekomunikacijah 2 Fazni šum oscilatorja 3 Omejitve faznega šuma 4 Zgodovina kvarca v elektroniki 5 Mehanska valovanja 6 Piezoelektrične naprave 7 Naravni kremenov kristal 8 Zgodovinski kremenov rezonator FT243 9 Umetni kremenov kristal 10 Rezine kremenovega kristala 11 Določanje kristalnih osi z žarki X 12 Rodovi nihanja rezin kremena 13 Rezine AT 14 Strižni rodovi nihanja rezine AT 15 Električno nadomestno vezje rezine AT 16 Admitanca rezine AT 17 Röntgenska slika prečnih rodov rezine AT 18 Neharmonski prečni rodovi rezine AT 19 Temperaturna odvisnost frekvence od kota reza AT 20 Oblika preseka rezine AT 21 Vpliv debeline kovinskih elektrod na površini rezine 22 Vgradnja rezine AT v ohišje 23 Ohišja piezoelektričnih rezonatorjev 24 Kristalni oscilatorji 25 Histereza lepenja umazanije v oscilatorju 26 Nastavljivi kristalni oscilatorji 27 Kristalna pasovna sita 28 Naročilo rezonatorja 29 Piezokeramika 30 Tehnologije FBAR 31 FBAR pasovna sita 32 SAW pasovno sito FIR 33 SAW pasovno sito za 36MHz 34 SAW rezonator
Element silicij Si 14 27.7% zemeljske skorje 95% kamenin Elektronska integrirana vezja kristalni Si (polprevodnik) amorfni (izolator) Piezoelektrični mehanski rezonator Prenosna pot svetlobno vlakno amorfni (steklo) 1 Vloge silicija v telekomunikacijah kristalni (kvarc)
Ojačevalnik A F, fc Spekter log F( f ) P 0 ( f 0) Fazni šum Toplotni šum Rezonator Q Leesonova enačba : spektralna gostota faznega šuma 2 f0 kbt 0 F fc 1 L (Δ f )= 1 + 1+ Δ f 2 2 QL Δ f P0 [( Nosilec P 0 ( f 0 ) )] ( k B 1.38 10 23 J / K Boltzmannova konstanta T 0 290K temperatura vezja F šumno število ojačevalnika f C mejna frekvenca šuma 1/ f 2 Fazni šum oscilatorja Fazni šum Δf Toplotni šum f ) Q L obremenjeni Q rezonatorja Q L 30 ( LC nihajni krog ) Q L 1000 ( električna votlina) Q L 30000 (kremenov kristal ) L (Δ f )dbc /Hz =10 log 10 [ L(Δ f ) 1Hz ]
Spekter log F( f ) f Zgled QPSK MAX Q σ f = 2 Δ f 2 L(Δ f ) d Δ f koleb=±σ f f0 f MIN Običajna izbira f MAX =3kHz f MIN =50Hz ( S / N )govor f Naključna FM (residual FM) 01 σϕ= 2 11 I 00 f 10 MAX L(Δ f ) d Δ f f MIN f MAX f MIN =Δ f modulacije =Δ f regen.nosilca ±σ ϕ Zasuk ozvezdja modulacije Analogne radijske zveze: QL 30...1000 Številske radijske zveze: QL 1000...30000 SSB (A3j brez nosilca) f0<30mhz Gost OFDM (N>1000) f0<1ghz FM (govor B=15kHz) f0<1ghz Redek OFDM (N<100) f0<10ghz FM (slika B=30MHz) f0<30ghz Preprost QPSK f0<100ghz 3 Omejitve faznega šuma
1880 Jacques in Pierre Curie odkrijeta piezoelektrični pojav 1905 G. Spezia hidrotermalna rast kremenovih kristalov v laboratoriju 1917 Prva uporaba piezoelektričnega pojava v sonarju 1918 Prva uporaba piezoelektričnega kristala v oscilatorju 1926 Prvi radiodifuzni oddajnik s kremenovim kristalom 1927 Odkrit prvi temperaturno-kompenzirani rez kristala kremena 1927 Prva ura s kremenovim kristalom 1934 Razvit prvi praktični temperaturno-kompenzirani AT rez 1949 Razvit obrobljeni visoko stabilni AT rez z visokim Q 1956 Dosegljivi prvi umetno izdelani kremenovi kristali 1956 Opisan prvi TCXO 1972 Kremenov kristal v obliki glasbenih vilic za ročne ure 1974 Napovedan SC rez in preverjen 1976 4 Zgodovina kvarca v elektroniki
5 Mehanska valovanja v 2km /s... 12km/s (trdne snovi) Tlačni val "P" (primary/pressure wave) plini, tekočine, trdne snovi ("BAW" bulk acoustic wave) Strižni val "S" (secondary/shear wave) samo trdne snovi ("BAW" bulk acoustic wave) Površinski val "SAW" (surface acoustic wave) površina trdne snovi
v 3km /s...12km /s 6 Piezoelektrične naprave
Tališče 1670 C T<573 C α-kvarc desnosučni in levosučni T>573 C β-kvarc Mehanski Q>106 Piezoelektrik Hidrotermalna rast v H2O+NaCl (tisoči let) p 1000bar Nečistoče? Vključki? Prisotnost obeh kristalnih oblik? Nahajališča? 7 Naravni kremenov kristal
Rezina 8 Zgodovinski kremenov rezonator FT243
Hidrotermalna rast vrast(z) 3 vrast(x) desnosučni α-kvarc H2O+Na2CO3 p 700-1000bar T 345 C ΔT 10 C vrast(z) 0.4mm/dan H2O+NaOH p 1000-1500bar T 380 C ΔT 25 C vrast(z) 1mm/dan 9 Umetni kremenov kristal
10 Rezi kremenovega kristala
Pb oklop za žarke X I 10mA + 50kV - Kristal monokromatorja Izvor žarkov X Röntgenska cev Cu anoda λ 0.154nm Detektor žarkov X Geigerjeva cev Kristal merjenec Vrtljivo držalo merjenca 11 Določanje kristalnih osi z žarki X
12 Rodovi nihanja rezin kremena
13 Rezine AT
d Osnovna rezonanca f1 v/2d d Tretji overton ~3f1 Peti overton ~5f1 Sedmi overton ~7f1 d d 14 Strižni rodovi nihanja rezine AT v 3.32km/s
C 0 3pF P MAX 1mW C 1 18fF L1 5mH Kapacitivnost metalizirane rezine d 100μm R 1 25 Ω Q 1 21000 C 3 2fF L3 5mH R 3 40 Ω Q3 40000 C 5 0.7fF L5 5mH R5 75 Ω Q5 37000 C 7 0.35fF L7 5mH R 7 120Ω Q7 33000 15 Električno nadomestno vezje rezine AT Osnovna rezonanca f1 16.7MHz Tretji overton f3 50MHz Peti overton f5 84MHz Sedmi overton f7 117MHz
B=Im[Y ] jωc0 Y ( f )=G+ jb 1/ R7 Sedmi overton f7 1/ R3 1/ R1 G=Re[Y ] 1/ R5 Peti overton f5 Tretji overton f3 16 Admitanca rezine AT Osnovna rezonanca f1
17 Röntgenska slika prečnih rodov rezine AT
Y f1 f3 f5 f 2r Y ΔY 6dB... 40dB f3 Osnovni prečni rod Višji prečni rodovi (anharmonics) Δf 18 Neharmonski prečni rodovi rezine AT f Velika odvisnost od temperature Δ f 100kHz< 1MHz Δ f d f 1 2r
19 Temperaturna odvisnost frekvence od kota reza AT
Plan-paralelna rezina d 50μ m d 10μ m f 1 33MHz Plan-konveksna rezina Bi-konveksna rezina Jedkana rezina "inverted mesa" f 1 170MHz 20 Oblika preseka rezine AT
21 Vpliv debeline kovinskih elektrod na površini rezine
22 Vgradnja rezine AT v ohišje Strižno valovanje se ne razširja v plinih! Sn N2 (zrak) ~1bar Ag/Au Dvotočkovno vpetje Sn Tritočkovno vpetje za odpornost na tresljaje
Kremenčevi kristali Keramični rezonatorji 23 Ohišja piezoelektričnih rezonatorjev Večkratni rezonatorji
R BK R BK Q + C1 X Q + C1 1 f 1< <f3 LC X RE C2 Overtonski oscilator f3 C2 L Pierce (Colpitts) na osnovni frekvenci f1 R B1 + CMOS L R0 C2 CB X C 2 24 Kristalni oscilatorji f 5= Q R BIAS C1 Overtonski oscilator f5 C1 L' R B2 + f 5= RE X, C0 1 C1C 2 L C 1 +C 2 1 L ' C0
TOPLO X Ogrevanje Kondenzirana umazanija HLADNO 25 Histereza lepenja umazanije v oscilatorju Izklop Vklop P 0 [ mw] Ohlajanje Oscilator P0 Lepenje umazanije 0 T [ C]
R BK Q X L + C1 L R BK Δf1 Nastavljivi kristalni oscilator VXO C DV CMOS R0 Δf3 +1kHz -3kHz R BK Δf5 +300Hz -1kHz L R BIAS C1 Δf1 X C 2 26 Nastavljivi kristalni oscilatorji C2 RE Napetostno nastavljivi kristalni oscilator VCXO L Δf1 +10kHz -30kHz + + C1 RV RE Δf1 C 2 X Q X DV + C1 RV Δf3 Q C2 L3
X1 X1 X2 Ag X2 Ag Dvojno mostično pasovno sito X1 X2 Mostično pasovno sito Monolitno pasovno sito X 200Hz B 50kHz C0 Preprosto pasovno sito 27 Kristalna pasovna sita X C1 X C2 X C3 X C2 Lestvičasto pasovno sito C1
fs Podatki proizvajalca : (1)Nadomestna induktivnost L (2) Kapacitivnost elektrod C 0 X f P Zahteve uporabnika : (1)Rod nihanja N =1 ali 3 ali 5 (2) Frekvenca f P @ C P ali f S (3) Izgube R R MAX 28 Naročilo rezonatorja CP X
PbZrxTi1-xO3 (PZT) x 0.52 v 3km/s... 4km/s Q 1000 @ f=10mhz 29 Piezokeramika
Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Q 2000 @ f=2ghz Votlina Votlina FBAR FBAR BAW-SMR BAW-SMR 30 Tehnologije FBAR W W W (novo) (staro) v 6km /s...11km /s tlačni val P
S1 S2 S3 P MAX 1W P2 P1 P2 P3 P4 S1 P1 Prečni rodovi v kvadratnem rezonatorju FBAR P4 S2 S3 P3 655μm P1 S2 P2 S3 P3 31 FBAR pasovna sita S4 P4 S5 P5 557μm S1
Potujoči površinski val sito s končnim odzivom FIR Λ / 2= -3 db rb er Zv oč ni ab so SA W Zv o čn ia bs or be r- 3d B Vhod v 2 f0 Elektroda Izhod Piezoelektrična podlaga Kristalna podlaga: ali LiNbO3 ali LiTaO3 ali La3Ga5SiO14 (kvarc) (langasite) 32 SAW pasovno sito FIR v 2km/ s... 5km /s
33 SAW sito za 36MHz
Stojni površinski val rezonator sito z neskončnim odzivom IIR v Λ / 2= 2 f0 Λ/ 2 Zrcalo Elektroda Zrcalo Piezoelektrična podlaga Kristalna podlaga: ali LiNbO3 ali LiTaO3 ali La3Ga5SiO14 (kvarc) (langasite) v 2km /s... 5km /s 34 SAW rezonator