数字处理彩电副载波恢复电路用的石英谐振器

摘要：分析了石英谐振器的结构特点、设计及关键工艺，并通过它在副载波恢复电路中的应用，说明石英谐振器对数字处理彩电性能的重要性。

1前言
　　自国庆50周年我国试播高清晰度数字电视以来，引起业界及广大消费者的广泛关注，成为新千年的一大热点。据《深圳商报》报道,该市计划2005年基本停播模拟广播电视，转为播出高清晰度数字电视节目和30套标准清晰度数字电视节目，这一计划比美国宣布的于2006年停播模拟电视的计划还要早一年。
　　加上信道解码及信源解码部分，就能升级为既能接收模拟广播信号，又能接收数字广播信号的兼容的数字处理彩电（DPTV）是我国现阶段模拟电视向数字电视过渡的主流产品。
　　可以想象，随着数字广播的发展，数字电视和接收机顶盒的生产将给电视工业界带来新的发展动力，形成巨大的经济增长点。
2副载波恢复电路的基本工作原理
　　在彩色电视机中，由延时解调器分离的U、V信号，在同步检波时，需要加入被恢复的副载波，而且要求与原来的副载波同频同相。这一任务是由基准副载波恢复电路来完成的，基准副载波恢复电路的作用就是要使本机产生基准副载波，对延时解调器分离出来的U、V已调副载波分量，进行峰值取样，解调出对应的色差信号。
　　石英谐振器在基准副载波恢复电路中，一般与变容管（或变阻管、场效率管）、晶体管和电容器组成电容三点式振荡电路，产生等幅正弦副载波，并能用电压变化控制其频率。
　　数字处理彩电采用新的逐行处理技术，实现多芯片集成，其中，有52个引脚的TDA832单片彩色电视信号处理芯片就将其图像中频、伴音中频、亮度信号、偏转信号、色度信号、副载波振荡器等的处理集成在其中，外接石英谐振器。低功耗、高精度的集成电路要求与之配套的外围元件即石英谐振器性能的提高，以获得最佳的彩色效果。表1为这种石英谐振器的尺寸和规格。
3石英谐振器对彩电性能的影响
　　制作石英谐振器的原材料——人造水晶（SiO2）的Q值大，压电性能稳定，当采用AT厚度切变型时，其良好的频率温度特性是其它材料难以相比的，又因其具有体积小、重量轻、价格低等优点，故广泛应用在频率稳定性要求较高的电子设备中。

表1石英谐振器的性能规范

标称频率/MHz
3.579545
4.433619

调整频差(25℃±2℃)
2×10－5
2×10－5

等效电阻(Rr≤Ω)
70
70

负载电容/PF
16
20

静电容(Co≤PF)
6
6

激励电平/μW
300
300

盒型
HC－491U11.05×4.65×13.45（mm3）

温度频差(－20℃～70℃)
±2×10－5
±2×10－5

　　由石英谐振器等组成的振荡电路在彩电副载波恢复电路中，采用NTSC制式时用频率为3.579545MHz的石英谐振器，采用PAL制式时用频率为4.433619MHz的石英谐振器。如果石英谐振器的调整频差、温度频差超过可调范围，石英谐振器的电阻大、不振或不稳定，均会导致“失色”现象；如果石英谐振器的起振性能和可靠性能差，会导致“彩色不良”的故障。
　　由此可见，石英谐振器在彩电中起到比较重要、较为关键的作用，是数字处理彩电必不可少的元器件之一。
4结构特性
　　解剖日本生产的这种石英谐振器可见，外壳为干净、无凹隐、无污渍的HC－49/U型锌铂铜外壳，印字清晰完整。基座为间距8.3mm、两脚齐平、浸锡光亮、长6mm的HC－49/U型弹片支架，底部压痕不明显。支架与外壳焊接熔合，无溶料突出，这种基座与外壳的封装形式结构合理，成本低，密封性、可靠性、稳定性好。正中透亮、边缘有明显倒边台阶、镀有正反吻合银电极的圆凸形石英晶片正滑入支架弹片槽，引出端与支架接触处点的银电胶适量、导电性能良好。晶片直径为8.9mm，电极直径为6.7mm,其结构如图1所示。
5设计
5.1切角的选择
　　AT切的频率温度曲线是三次抛物线的关系，由贝赫曼给出的温度特性方程为：
(f－f0)/f0=a0(T－T0)＋b0(T－T0)2＋c0(T－T0)3
式中，T为任意温度，T0参照温度，f0为参照温度时的频率，a0、b0、c0为参照温度时的频率温度系数。
　　DPTV石英谐振器要求在－20℃～70℃范围内达到±2×10－5，通过调整角度范围，最后确定由35°10′±3′修正为35°08′±2′最为合适，如图2所示。另外，由于晶片研磨过程中会使角度有所偏差，采用长方片粗磨后再测角度的加工新方法，确保了温度频差的要求。
5.2晶片的设计
　　当?（晶片直径）/t（晶片厚度）<20时，石英晶片的边缘效应较强，表现为电阻大，起振性能差。所以必须将晶片设计成双凸形，如图3所示，相当于增大它的有效直径。
双凸晶片厚度和曲率半径的计算机公式为
式中，f为石英晶片谐振频率（kHz），R为石英晶片双凸曲面半径(mm)，为石英晶片直径(mm)，t为石英晶片的厚度(mm)，to为石英晶片边缘厚度（一般取0.2mm）。
最后采用的可兼顾有限外壳尺寸（该外壳的内部尺寸为10mm×3.5mm×13.2mm，还要除去支架及内衬的位置）限制的，用滚筒倒边技术消除边缘效应的?8.7mm片径的好处很多：（1）原材料——人造水晶节省4.52％；（2）研磨碎片率下降2.24％；（3）拍闪表明抗振动性提高，合格率提高0.98％。
5.3电极直径和静电容的确定
　　电极直径的选取必须考虑到电阻、静电容及片厚等。晶片电极和电极返回频率满足能陷公式时，可得到最小的寄生响应，等效电阻最小。能陷公式为
Δf=(Nt/An)2f
式中，N为常数（2～2.4），Δf为返回频率，n为泛音次数，A为电极面积，t为片厚。静电容的经验公式为
C0=k0(A2/t)
式中，k0为常数。考虑到通用性原则，确定的电极直径为6.5mm可达到要求。
6关键工艺
　　主要工艺流程为：切割—粗磨—测角—改圆—研磨—腐蚀清洗—镀膜—装架点胶—微调—封焊—印字—老化—成检—浸锡—抽检—切校脚—包装入库。
6.1腐蚀清洗
　　据多年的生产实践和理论证明，片愈厚、频率愈低，对晶体的起振性能、电阻的影响愈大，这是低频DPTV石英谐振器所不希望和较难解决的问题。调查发现，作为清除晶片因研磨造成的表面松散层的深腐蚀方法较有效。但采用原先的腐蚀液（氢氟酸）的速度慢、效率低，研制人员为此重新配备了蚀液，70℃饱和氟化氢铵溶液为最佳配方，蚀出的晶片透亮，电阻小。
　　但由于手工控制的摇动不够均匀，批量生产时出现了腐蚀后晶片均匀度差，清洁度不够及蚀速快、较难把握等问题。为此，我们引进了香港制造的由IEC－1型电脑控制的腐蚀控制的腐蚀清洗系统，操作者只需将清洗腐蚀时间（以秒为单位）输入计算机、装白片架和看护各个浴器，便可实现晶片的腐蚀、清洗、烘干及末端从传送链上卸下来的整个过程流水式自动化操作，气泡发生器使腐蚀更加均匀，加温超洗干净。晶片的光洁度、清洁度大幅度提高，成品电阻平均下降3.38％、成品合格率至少提高2.13％，起振性能提高，工效提高50％。
6.2镀膜
　　晶片光洁度的提高对镀膜的附着率造成影响，如果附着率无保证，会造成频率的不稳定。为了保证晶片的附着率，采用先镀一层附着率好的铬，然后再镀银的方法，这种方法的难点就是银?铬在晶片两面平均分配的问题，如果分配不均，同样会造成频率的不稳定。我们采用进口的电脑控制的VDS?406真空蒸镀系统，只需将蒸镀量输入电脑，它就会自动地将蒸发物按比例均匀地分配到晶片的两边，且给下道微调工序留下最佳的微调量。
6.3装架点胶
　　胶点得太多会影响电阻，太少又会粘得不牢固，影响可靠性，采用香港制造的精密电子电路控制液体流量的1500型数位式定量点胶机，调整容易、操作简单，一经设定只需轻踩脚踏开关，每次吐出量一致，产品一致性好，避免了因人工兼画眉笔点胶的方法造成的差异。
　　支装采用国际通用的，可减小等效电阻，外观、机械性能、电性能、耐老化等质量稳定、价廉的国产HC－49/U型标准弹片支架。
　　采用导电性能良好、3301F型日产导电性树脂材料接着剂，平均电阻降低4.16％，可靠性能提高。
6.4倒边
　　在试制中心还发现，倒边平台不一致会造成晶片边缘不一致，太厚时成品的电阻较差，太薄时抗振动性能差，有碎边现象，造成产品的不稳定和不振。通过控制倒边速度、标准倒边筒、适量换砂制度等控制倒边平台的方法后，频率的可调性和电阻的一致性好，可靠性提高，阻值最大为53Ω，最小为38Ω。最佳的平台为4.4mm～5.3mm，时间为5天（一般为7天），工效提高40％。
6.5拍闪
　　石英谐振器的一般指标均采用电脑自校的美国150D型晶体阻抗计和高低温测试系统来测试，为确保其可靠性能，我们自创了一套拍闪检测工序，这种方法虽然比较土，但对确保出厂产品的可靠性能，使合格产品不致被淘汰非常有效，出厂产品合格率提高1.73％。
　　通过精选抗氧化锡，采用先分选后浸锡再抽测的新工序，确保了浸锡质量。依据凸轮运动原理，自制了操作简单、效率高、符合要求的切脚装置。确保出厂产品符合彩电生产自动化插件的要求。
7结束语
　　生产的产品经厂家试用后反映良好、质量稳定、各项技术指标达到要求，如表2所示。生产成本与普通石英谐振器持平，达到了预期的目标。
　　彩电“以数字技术为核心的技术战”方兴未艾，近几年国内彩电已到了普及和换代的时期。据《压电晶体信息》报道，数字电视这个新的巨大市场将有几千万亿元的容量，故彩电市场的潜力是巨大的，彩电石英谐振器的市场前景光明。

表2产品检验结果

序号
检验项目
单位
检验结果
备注

1
外观
　
符合要求
抽样方案:n=32标称频率：3.579545MHz

2
密封性
MΩ
>500

3
调整频差
10－6
－9.0～13.1

4
谐振电阻
Ω
38～50.8

5
静电容
pF
3.1～3.4

6
可焊性
％
≥33

电子元器件应用

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