一、石英晶體振蕩器的基本原理

 1。石英晶體振蕩器結(jié)構(gòu)

石英晶體振蕩器是由應(yīng)時(shí)晶體(二氧化硅晶體)的壓電效應(yīng)制成的諧振器件。其基本結(jié)構(gòu)大致如下:將一塊應(yīng)時(shí)晶體以一定的方位角切片(簡稱晶片，可以是正方形、矩形或圓形等)。)，在石英晶體諧振器的兩個(gè)相應(yīng)表面上涂覆銀層作為電極，在每個(gè)電極上焊接一根引線以連接到引腳，并添加封裝殼以形成石英晶體諧振器，石英晶體諧振器簡稱為應(yīng)時(shí)晶體或晶體或晶體振蕩器。  它的產(chǎn)品通常用金屬殼包裝，也有玻璃殼、陶瓷或塑料包裝。  下圖是被金屬殼包裹的應(yīng)時(shí)晶體結(jié)構(gòu)示意圖。  

 2。壓電效應(yīng)

如果向應(yīng)時(shí)晶體的兩個(gè)電極施加電場，晶片將機(jī)械變形。  另一方面，如果機(jī)械壓力施加到晶片的兩側(cè)，將在晶片的相應(yīng)方向上產(chǎn)生電場。這種物理現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。  如果交變電壓施加到晶片的兩極，晶片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)將產(chǎn)生交變電場。  一般來說，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常小，但是當(dāng)施加交變電壓的頻率為某一值時(shí)，振幅明顯增大，遠(yuǎn)大于其它頻率下的振幅。這種現(xiàn)象被稱為壓電諧振，與液晶電路的諧振現(xiàn)象非常相似。  其共振頻率與切割方式、幾何形狀和晶片尺寸有關(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2所示。  當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，它可以被認(rèn)為是一個(gè)被稱為靜電電容(靜電電容)的扁平電容器，其大小與晶片的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，一般約為幾PF到幾十PF  當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可以等于電感  一般來說，L的值從幾十毫希到幾百毫希不等。  晶片的彈性可以相當(dāng)于電容C，C的值很小，一般只有0.0002 ~ 0.1 pF。  晶片振動(dòng)時(shí)摩擦引起的損耗相當(dāng)于r，其值約為100ω  由于芯片的等效電感很大，c很小，r也很小，所以電路的品質(zhì)因數(shù)q很大，達(dá)到1000 ~ 10000。  此外，晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀和尺寸有關(guān)，可以精確制作，因此由石英諧振器組成的振蕩電路可以獲得高頻穩(wěn)定性。  

 4，諧振頻率

從石英晶體諧振器的等效電路來看，它有兩個(gè)諧振頻率，即(1)當(dāng)l、c、r支路串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最小(等于r)  串聯(lián)擦拭頻率用fs表示。應(yīng)時(shí)晶體完全抵抗串聯(lián)擦除頻率fs。(2)當(dāng)頻率高于fs時(shí)，L、C和R支路是電感性的，并且可以連接到電容器C  并聯(lián)諧振發(fā)生，其并聯(lián)頻率用fd表示  

根據(jù)應(yīng)時(shí)晶體的等效電路，可以定性地畫出其電抗-頻率特性曲線，如圖2e所示  可以看出，當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或高于并聯(lián)諧振頻率fd時(shí)，應(yīng)時(shí)晶體是電容性的。  只有在fs < f < fd的極窄范圍內(nèi)，應(yīng)時(shí)晶體才是電感性的  

二。石英晶體振蕩器的類型和特性

石英晶體振蕩器由品質(zhì)因數(shù)極高的應(yīng)時(shí)晶體振蕩器(即諧振器和振蕩電路)組成  晶體質(zhì)量、切割方向、晶體振蕩器結(jié)構(gòu)和電路形式共同決定振蕩器的性能。  國際電工委員會(huì)(IEC)將石英晶體振蕩器分為四類:普通晶體振蕩器(TCXO)、壓控晶體振蕩器(VCXO)、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)和恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)  目前，數(shù)字補(bǔ)償晶體損耗振蕩(DCXO)等也在發(fā)展中。  

普通晶體振蕩器(SPXO)可以產(chǎn)生10 (-5)到10 (-4)數(shù)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率為1-100兆赫，頻率穩(wěn)定性為+ 100ppm  SPXO不采用任何溫度和頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉。它通常被用作微處理器的時(shí)鐘設(shè)備。  包裝尺寸范圍為21×14×6mm和5× 3.2× 1.5 mm。  

壓控晶體振蕩器(VCXO)的精度在10 (-6)到10 (-5)的數(shù)量級(jí)，頻率范圍為1到1 ~ 30兆赫。  低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定性為50ppm  通常用于鎖相環(huán)  包裝尺寸14×10×3毫米  

溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)使用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償。頻率精度約為10 (-7)至10 (-6)，頻率范圍為1-60 MHz，頻率穩(wěn)定性為1-2.5 ppm，封裝尺寸為30×30×15mm至11.4× 9.6× 3.9 mm。  它通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設(shè)備等。  

恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路放置在恒溫盒中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。  OCXO頻率精度在10 (-10)到10 (-8)的數(shù)量級(jí)，對(duì)于某些特殊應(yīng)用甚至更高。  頻率穩(wěn)定性是四種振蕩器中最高的。