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石英晶振单元频率标准介绍

来源：http://www.konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年03月19

目前的晶振逐渐的往小型化,片式化,低噪声化,频率精度高化与稳定度高及频化高等方面发展,为满足市场上一切对晶振产品的要求,是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求,事实上石英晶体振荡器在发展过程中,也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战.此类振荡器只有在技术上不断创新,才能延长其寿命周期,在竞争中占有优势.下面将带领大家对石英晶振有进一步的了解.
石英晶体单元是已经施加电极的石英晶片,并且其被密封在支架结构中.(晶圆通常被称为"空白"或"晶体板".)虽然晶体单元的设计和制造包含复杂的主题,但振荡器设计者可以将晶体单元视为电路元件并且只需处理晶体单元的等效电路.

机械振动系统和图2所示的电路是"等效的",因为每个都可以用相同的微分方程[6]来描述.质量,弹簧和阻尼元件(即缓冲器)对应于电感器,电容器和电阻器.驱动力对应于电压,质量对电容器上的电荷的位移以及对电流的速度.

图1.机械振动系统的等效电路.

石英晶振是一种机械振动系统,通过压电效应与电气世界相连.图3示出了谐振器的(简化的)等效电路(一种振动模式),以及晶体单元的电路符号.负载电容器CL与晶体串联示出.C0,称为"分流"电容,是由于晶体板上的电极加上由于晶体外壳引起的杂散电容引起的电容.电路的R1,L1,C1部分是"运动臂",它由晶体的机械振动产生.

图2.带负载电容的晶体单元的等效电路.

C0至C1比率是存储在石英晶体中的电能和机械能之间的相互转换的量度,即压电耦合因子k的量值.C0/C1随着泛音数的平方增加;C0/C1与k和N的关系为2C0/C1=[pN2/2k],其中N是泛音数.当直流电压施加到谐振器的电极时,电容比C0/C1还可以测量由电极形成的电容器中存储的电能与由压电效应产生的晶格应变引起的在晶体中弹性存储的能量之比.图4显示了晶体单元的电抗与频率特性.C0/C1也与反共振谐振频率分离(即极柱间距)成反比,这是贴片滤波器应用中特别重要的参数.电抗对邻近F频率曲线的斜率小号成反比到C1,即,DX/(DF/F)»1/PFC1附近?F小号,其中X是电抗.C1因此,它是衡量晶体"刚度"的一种方法,即它的可调性.

图3.晶体单元的电抗与频率的关系.

当负载电容与晶体串联时,石英晶体振荡器的工作频率增加Df',其中Df'由下式给出：

当电感器与晶体串联连接时,操作频率降低.通过增加或改变电抗来改变工作频率的能力允许补偿TCXO晶振中晶体单元的频率与温度变化,并调节电压控制晶体振荡器(VCXO)的输出频率;在两者中,通过改变变容二极管上的电压来改变频率.

对于图2的简单RLC电路,谐振曲线的宽度与品质因数Q成反比,但在晶体振荡器中,由于存在C0并且操作Q较低,因此情况复杂化对于石英谐振器,Q=(2pfSC1R1)1.参考文献3,5和6包含等效电路的更多细节.

石英晶振在由分立的R,C和L'构建的储能电路上的众多优点中,有一些优点是晶体更硬,并且具有远高于普通分立元件的Q值.例如,5MHz基模ATcut晶体可具有C1=0.01pF,L1=0.1H,R1=5W和Q=106.没有0.01pF的电容器,因为连接到这种电容器的引线可能单独产生超过0.01pF的电容.类似地,0.1H电感器在物理上很大,它需要包括大量匝数,并且需要是超导的以便具有5W的电阻

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