石英晶體諧振器的原理和特點(diǎn)

一、石英晶體振蕩器的基本工作原理及作用

(1)、石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱晶振）的結(jié)構(gòu)

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化矽的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。

(2)、壓電效應(yīng)
若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

(3)、符號(hào)和等效電路石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖所示

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定性。

(4)諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即

a、當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)諧振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)諧振頻率fs呈純阻性。
b、當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。
根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫(huà)出它的頻率特性曲線圖所示?？梢?jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)諧振頻率fd時(shí)，石英晶體呈電容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈電感性。

二、石英晶體振蕩器的類型特點(diǎn)
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路）組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（ OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。

(1)普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10-5～10-4量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。 SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

(2)電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10?6～10-5量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。

(3)溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10?7～10-6量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。

(4)恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。 OCXO頻率精度是10?7～10-8量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定性在四種類型振蕩器中最高。

三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有不具標(biāo)稱頻率的，如CRB 、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)諧振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)諧振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一致，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定：由于普通晶振的性能基本性能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定性。頻率精度從量級(jí)到量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線資料傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д?，因不同性能的晶振其價(jià)格不同，要求越高價(jià)格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。