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石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器
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2011-07-12
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石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类 振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供 基准信号。
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石英晶体谐振器
From:欧阳联铂
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类
振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供
基准信号。
一、石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它
的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、
矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚
上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金
属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的.为了防止 Ag 电极被氧化,一般在封装时充入 N
2
。
下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
图 1
2、压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加
机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应,如图 2 所示。如果
在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某
一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为
压电谐振
,它与 LC 回
路的谐振现象十分相似。
它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关
。
图 2
3、符号和等效电路
石英晶体谐振器的符号和等效电路如图 3 所示。当晶体不振动时,可把它看成一个平板电
容器称为静电电容 C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个 PF 到几十 PF。
当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感 L 来等效。一般 L 的值为几十 mH 到几百 mH。晶片
的弹性可用电容 C 来等效,C 的值很小,一般只有 0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成
的损耗用 R 来等效(与晶片表面光滑度成反比,粗糙平整度影响 R 值,它决定了晶振 80%的品质),
它的数值约为 100Ω。由于晶片的等效电感很大,而 C 很小,R 也小,因此回路的品质因数
Q(Q=1/2∏f
s
CR) 很大,可达 1000~10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割
方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很
高的频率稳定度。
图 3
4、谐振频率
从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即(1)当 L、C、R 支路发生串联
谐振时,它的等效阻抗最小(等于 R)。串联揩振频率用 fs 表示,石英晶体对于串联揩振频率 fs
呈纯阻性,(2)当频率高于 fs 时 L、C、R 支路呈感性,可与电容 C。发生并联谐振,其并联频
率用 fd 表示。
根据石英晶体的等效电路,可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图 4 所示。可见当频率低
于串联谐振频率 fs 或者频率高于并联揩振频率 fd 时,石英晶体呈容性。仅在 fs<f<fd 极窄的范
围内,石英晶体呈感性。
图 4
5.起振条件:
1) 回路必须为正回授,就是在输入与输出的相位相差 360 度(或其整数倍)
2) 在起振频率开回路之增益必须大于一
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speak222
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