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石英晶体振荡器干货!!一起看看吧

发布时间:2019-09-30

一、石英晶体振荡器的基本原理

 1。石英晶体振荡器结构

石英晶体振荡器是由应时晶体(二氧化硅晶体)的压电效应制成的谐振器件。其基本结构大致如下:将一块应时晶体以一定的方位角切片(简称晶片,可以是正方形、矩形或圆形等)。),在石英晶体谐振器的两个相应表面上涂覆银层作为电极,在每个电极上焊接一根引线以连接到引脚,并添加封装壳以形成石英晶体谐振器,石英晶体谐振器简称为应时晶体或晶体或晶体振荡器。  它的产品通常用金属壳包装,也有玻璃壳、陶瓷或塑料包装。  下图是被金属壳包裹的应时晶体结构示意图。  

 2。压电效应

如果向应时晶体的两个电极施加电场,晶片将机械变形。  另一方面,如果机械压力施加到晶片的两侧,将在晶片的相应方向上产生电场。这种物理现象被称为压电效应。  如果交变电压施加到晶片的两极,晶片将产生机械振动,同时晶片的机械振动将产生交变电场。  一般来说,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常小,但是当施加交变电压的频率为某一值时,振幅明显增大,远大于其它频率下的振幅。这种现象被称为压电谐振,与液晶电路的谐振现象非常相似。  其共振频率与切割方式、几何形状和晶片尺寸有关。  

 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2所示。  当晶体不振动时,它可以被认为是一个被称为静电电容(静电电容)的扁平电容器,其大小与晶片的几何尺寸和电极面积有关,一般约为几PF到几十PF  当晶体振荡时,机械振动的惯性可以等于电感  一般来说,L的值从几十毫希到几百毫希不等。  晶片的弹性可以相当于电容C,C的值很小,一般只有0.0002 ~ 0.1 pF。  晶片振动时摩擦引起的损耗相当于r,其值约为100ω  由于芯片的等效电感很大,c很小,r也很小,所以电路的品质因数q很大,达到1000 ~ 10000。  此外,晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状和尺寸有关,可以精确制作,因此由石英谐振器组成的振荡电路可以获得高频稳定性。  

 4,谐振频率

从石英晶体谐振器的等效电路来看,它有两个谐振频率,即(1)当l、c、r支路串联谐振时,它的等效阻抗最小(等于r)  串联擦拭频率用fs表示。应时晶体完全抵抗串联擦除频率fs。(2)当频率高于fs时,L、C和R支路是电感性的,并且可以连接到电容器C  并联谐振发生,其并联频率用fd表示  

根据应时晶体的等效电路,可以定性地画出其电抗-频率特性曲线,如图2e所示  可以看出,当频率低于串联谐振频率fs或高于并联谐振频率fd时,应时晶体是电容性的。  只有在fs < f < fd的极窄范围内,应时晶体才是电感性的  

二。石英晶体振荡器的类型和特性

石英晶体振荡器由品质因数极高的应时晶体振荡器(即谐振器和振荡电路)组成  晶体质量、切割方向、晶体振荡器结构和电路形式共同决定振荡器的性能。  国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为四类:普通晶体振荡器(TCXO)、压控晶体振荡器(VCXO)、温度补偿晶体振荡器(TCXO)和恒温控制晶体振荡器(OCXO)  目前,数字补偿晶体损耗振荡(DCXO)等也在发展中。  

普通晶体振荡器(SPXO)可以产生10 (-5)到10 (-4)数量级的频率精度,标准频率为1-100兆赫,频率稳定性为+ 100ppm  SPXO不采用任何温度和频率补偿措施,价格低廉。它通常被用作微处理器的时钟设备。  包装尺寸范围为21×14×6mm和5× 3.2× 1.5 mm。  

压控晶体振荡器(VCXO)的精度在10 (-6)到10 (-5)的数量级,频率范围为1到1 ~ 30兆赫。  低容差振荡器的频率稳定性为50ppm  通常用于锁相环  包装尺寸14×10×3毫米  

温度补偿晶体振荡器(TCXO)使用温度敏感器件进行温度频率补偿。频率精度约为10 (-7)至10 (-6),频率范围为1-60 MHz,频率稳定性为1-2.5 ppm,封装尺寸为30×30×15mm至11.4× 9.6× 3.9 mm。  它通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。  

恒温控制晶体振荡器(OCXO)将晶体和振荡电路放置在恒温盒中,以消除环境温度变化对频率的影响。  OCXO频率精度在10 (-10)到10 (-8)的数量级,对于某些特殊应用甚至更高。  频率稳定性是四种振荡器中最高的。   

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