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石英晶振基本知識(shí)總匯

來(lái)源:http://m.goapplyonline.com 作者:壹兆電子技術(shù)部 2017年06月27
        石英晶振又稱(chēng)壓電石英晶體,因?yàn)榫w的壓電效應(yīng)而得名。晶體是指其中的原子、分子、或離子以規(guī)則、重複的模式朝各方向延伸的一種固體。運(yùn)用石英晶振上的電極對(duì)一顆被適當(dāng)切割並安置的石英晶體施以電場(chǎng)時(shí),晶體會(huì)產(chǎn)生變形,這就是壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電場(chǎng)移除時(shí),石英晶體會(huì)恢復(fù)原狀並發(fā)出電場(chǎng),因而在電極上產(chǎn)生電壓。這樣的特性造成石英晶振在電路中的行為,類(lèi)似於某種電感器、電容器、與電阻器所組合成的RLC電路。組合中的電感電容諧振頻率則反映了石英晶振的實(shí)體共振頻率。
         晶體與幾乎所有的彈性物質(zhì)都具有自然共振頻率,透過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅骺杉右岳?。例如鋼鐵具有良好彈性、音速快,在石英晶振大量應(yīng)用以前,鋼鐵被用作機(jī)械式濾波器(Mechanical filter)。 共振頻率取決於晶振的尺寸、形狀、彈性、與物質(zhì)內(nèi)的音速。 高頻用的晶振通常是切成簡(jiǎn)單的形狀,如方形片狀。 典型的低頻用晶振則常切成音叉形,例如手錶用的那種。 如不需要太高的精確度,則也可以使用陶瓷晶振(Ceramic Resonator)取代石英晶振。
        石英晶體的優(yōu)點(diǎn)是在溫度變化時(shí),影響震盪頻率的彈性係數(shù)與尺寸變化輕微,因而在頻率特性上表現(xiàn)穩(wěn)定。共振的特性還取決於振動(dòng)模式與石英的切割角度(相對(duì)於晶軸而言),目前常用的是 AT 切割,它的振盪是厚度剪切(thickness shear)振盪模式。 此外,在需要高精密度與穩(wěn)定性的嚴(yán)格場(chǎng)合,石英晶振會(huì)放置於恆溫箱(Crystal oven)與吸振容器內(nèi),以防止外部溫度與震動(dòng)的干擾。
        壓電石英振體被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)并且成功開(kāi)發(fā)之后,被應(yīng)用到很多電子元器件之中,壓電石英晶振在經(jīng)過(guò)科技加工之后可以生產(chǎn)出,石英晶振,石英晶片,音叉晶體,聲表面濾波器,聲表面諧振器,傳感器等元器件。壓電效應(yīng)是由雅克,居里與皮埃爾•居里於1880年發(fā)現(xiàn)。 保羅•朗之萬(wàn)在第一次世界大戰(zhàn)期間首先探討了石英晶體諧振器在聲納上的應(yīng)用。 第一個(gè)由晶體控制的電子式振盪器,則是在1917年使用羅謝爾鹽所作成,並於1918年由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Alexander M. Nicholson取得專(zhuān)利[1],雖然與同時(shí)申請(qǐng)專(zhuān)利的 Walter Guyton Cady 曾有過(guò)爭(zhēng)議[2]。 Cady 於1921年製作了第一個(gè)石英晶體振蕩器[3]。 對(duì)於石英晶體振蕩器的其他早期創(chuàng)新有貢獻(xiàn)的還有皮爾斯(G. W. Pierce)與 Louis Essen。
        石英晶體振蕩器模組較常見(jiàn)有以下種類(lèi): XO : 普通石英晶振 (Crystal oscillator)  TCXO : 溫補(bǔ)晶振,溫度補(bǔ)償型 (Temperature compensated crystal oscillator)   OCXO : 恒溫晶振,恒溫型 (Oven-controlled crystal oscillator)   VCXO : 壓控振蕩器,電壓控制型(Voltage-controlled crystal oscillator)
        石英晶振(crystal 或 Xtal)是石英晶片加上電極與外殼封裝。也稱(chēng)或石英振動(dòng)子或石英晶體諧振器 (crystal resonator)。 這是單純石英晶體被動(dòng)元件,不含主動(dòng)元件,需搭配外加電路才會(huì)產(chǎn)生振盪。這是被動(dòng)(無(wú)源)元件,在大陸又稱(chēng)它無(wú)源晶振(含義:被動(dòng)式石英晶體振盪器)。 石英晶體通常是兩支接腳的電子元件。
        石英晶體振盪器(crystal oscillator,簡(jiǎn)寫(xiě) OSC 或 XO)是指內(nèi)含石英晶體與振盪電路的模組,需要電源,可直接產(chǎn)生振盪訊號(hào)輸出。因內(nèi)含主動(dòng)(有源)電子元件,整個(gè)模組也屬主動(dòng)元件,在大陸又稱(chēng)它有源晶振。 石英振盪器通常是四支接腳的電子元件,其中兩支為電源,一支為振盪訊號(hào)輸出,另一支為空腳或控制用。
        共振模式
        石英晶體提供了兩種共振模式,由 C1 與 L1 構(gòu)成的串聯(lián)共振,與由 C0、C1 與 L1 構(gòu)成的並聯(lián)共振。
        對(duì)於一般的 MHz 級(jí)石英晶體而言,串聯(lián)共振頻率一般會(huì)比並聯(lián)共振頻率低若干 KHz。 頻率在 30 MHz 以下的石英晶體,通常工作時(shí)的頻率處?kù)洞?lián)共振頻率與並聯(lián)共振頻率之間,此時(shí)石英晶體呈現(xiàn)電感性阻抗。因?yàn)?,外部電路上的電容?huì)把電路的振盪頻率拉低一些。在設(shè)計(jì)石英晶振振盪電路時(shí),也應(yīng)令電路上的雜散電容與外加電容合計(jì)値與晶振廠家使用的負(fù)載電容值相同,振盪頻率才會(huì)準(zhǔn)確符合廠商的規(guī)格。
        頻率在 30 MHz 以上(到 200 MHz)的石英晶體,通常工作於串聯(lián)共振模式,工作時(shí)的阻抗處?kù)蹲畹忘c(diǎn),相當(dāng)於 Rs 。 此種晶體通常標(biāo)示串聯(lián)電阻( < 100 Ω )而非並聯(lián)負(fù)載電容。 為了達(dá)到高的振盪頻率,石英晶體會(huì)振盪在它的一個(gè)諧波頻率上,此諧波頻率是基頻的整數(shù)倍。 只使用奇數(shù)次諧波,例如 3 倍、 5 倍、與 7 倍的泛音晶體。 要達(dá)到所要的振盪頻率,振盪電路上會(huì)加入額外的電容器與電感器,以選擇出所需的頻率。
        電氣模型
        在電氣網(wǎng)路中,石英晶體可以轉(zhuǎn)換成一組 RLC 等效電路,以利分析。 這一電路模型有兩個(gè)頻率接近但特性不同的共振點(diǎn):低阻抗的串聯(lián)共振點(diǎn)與高阻抗的並聯(lián)共振點(diǎn)。 運(yùn)用拉普拉斯轉(zhuǎn)換,該等效電路網(wǎng)路的阻抗可以寫(xiě)成以下數(shù)學(xué)式:
其中 s 是複數(shù)頻率 4 , 是串聯(lián)共振頻率, 是並聯(lián)共振頻率,以上頻率單位都是弧/每秒。
        在晶體兩端並聯(lián)上額外的並聯(lián)電容器會(huì)使並聯(lián)後的整體共振頻率降低,因此,石英晶體廠商在製作並測(cè)量石英晶體的並聯(lián)共振頻率時(shí),會(huì)在特定的並聯(lián)電容值(稱(chēng)為負(fù)載電容)下進(jìn)行測(cè)試。如使用較小的電容值,振盪頻率會(huì)比規(guī)格高,反之比規(guī)格低。這一特性也可以用來(lái)微調(diào)振盪頻率。
        音叉晶體,表晶系列:溫度效應(yīng)
        石英晶體的頻率特性取決於形狀或切割方式。音叉型晶體通常會(huì)切割成溫度特性是以25℃為中心的拋物線。這意味著,音叉晶體振盪器在室溫下產(chǎn)生的共振頻率接近其目標(biāo)頻率,當(dāng)溫度或增加或減少時(shí)頻率都會(huì)降低。頻率-溫度曲線為拋物線的常見(jiàn)32.768千赫音叉晶體的溫度係數(shù)是 負(fù)百萬(wàn)分之0.04/℃²。
        也就是說(shuō),如不考慮製作誤差,以這種石英晶體控制頻率的時(shí)鐘,如運(yùn)作在比室溫低10°C的環(huán)境下,每年會(huì)比運(yùn)作在室溫下慢2分鐘;如運(yùn)作在比室溫低攝氏20°C的環(huán)境下,則每年會(huì)比運(yùn)作在室溫下慢8分鐘。
        零件代號(hào)與電路符號(hào):依據(jù) IEEE Std 315-1975 與 ANSI Y32.2-1975 規(guī)範(fàn),石英晶體在電路圖中屬於 Y 類(lèi),零件編號(hào)應(yīng)以 Y 開(kāi)頭,例如 Y1, Y2 等。 但有時(shí)也會(huì)被標(biāo)成 X1, X2 或 XTAL; 振盪器在電路圖中屬於 G 類(lèi),零件編號(hào)應(yīng)以 G 開(kāi)頭,但實(shí)務(wù)上也會(huì)被標(biāo)成 XO 或 OSC 等。 建議仍應(yīng)依照規(guī)範(fàn)命名為宜。
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