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    石英晶振的基本原理與電路設計

    發(fā)布時(shí)間:2022-05-07作者來(lái)源:榮泰電子瀏覽:2346

    石英晶振是一種高精度、高穩定度的振蕩器,它是用石英晶體的壓電效應制成的諧振元件來(lái)代替LC選頻電路。廣泛應用于各種電子產(chǎn)品的振蕩電路中,如通訊系統中的頻率發(fā)生器。功能:為數據處理設備產(chǎn)生時(shí)鐘信號,提供系統振蕩脈沖,穩頻選頻。[敏感詞]簡(jiǎn)單介紹一下應時(shí)晶體振蕩器的基本特性、穩頻條件、和電路設計。


    一、水晶體材料的基本特性


    石英晶振是一種利用應時(shí)晶體(二氧化硅晶體)的壓電效應制成的諧振器件。其基本結構大致如下:從一塊應時(shí)晶體上按一定方位切下一片,在其對應的兩個(gè)面上鍍上銀層作為電極,在每個(gè)電極上焊上一根引線(xiàn)連接到插針上,加上封裝外殼,形成一個(gè)石英晶體諧振器,簡(jiǎn)稱(chēng)應時(shí)晶體或晶體、晶體振蕩器。產(chǎn)品一般采用金屬外殼封裝,也有玻璃外殼、陶瓷或塑料。


    石英晶振在壓力下變形,同時(shí),它被電極化。極化強度與壓力成正比,稱(chēng)為‘正壓電效應’。相反,在電場(chǎng)的作用下,晶體發(fā)生形變,形變與電場(chǎng)強度成正比,這種現象稱(chēng)為‘負壓電效應’。


    在二十多種具有壓電效應的晶體中,應時(shí)晶體是無(wú)線(xiàn)通信設備中令人滿(mǎn)意的材料之一。其機械強度高,理化性能穩定,內部損耗低,用其制作的器件廣泛應用于頻率控制和頻率選擇電路中。應時(shí)的壓電特性、、彈性特性和強度特性隨取向不同而不同,由其制成的諧振器性能也不同?,F在已經(jīng)發(fā)現了幾十種有用的切割方法。


    二、石英諧振器的穩頻條件


    應時(shí)晶體振蕩器的頻率穩定度與以下幾個(gè)方面有關(guān):負載電容、的激勵電平


    1、負載電容。一般石英諧振器在振蕩電路中作為電感元件來(lái)穩定頻率,而電路的其他元件可以等效為負載電容,這會(huì )影響石英諧振器的等效參數和頻率穩定性。


    從石英晶體振蕩器的兩個(gè)腳向振蕩電路看到的所有有效電容都是由振蕩電路加到應時(shí)晶體振蕩器上的負載電容。電路的工作頻率由電容和應時(shí)晶體振蕩器決定。通過(guò)調節負載電容,可以將振蕩電路的工作頻率調節到標稱(chēng)值。應合理選擇負載電容。電容過(guò)大時(shí),雜散電容的影響會(huì )降低,但微調率會(huì )降低。電容過(guò)小時(shí),微調率會(huì )增大,但雜散電容的影響會(huì )增大,、負載的諧振電阻會(huì )增大,甚至難以起振。


    2、激勵電平。一般以70 -100uA為佳,用激勵功率表示時(shí),以1-100u為佳。激勵電平直接影響石英諧振器的性能,因此電路設計者必須嚴格控制石英諧振器工作在規定的激勵電平,才能充分發(fā)揮石英諧振器的特性。一般來(lái)說(shuō),小的激發(fā)水平有利于長(cháng)期穩定,稍大的激發(fā)水平有利于短期穩定。但是,如果激勵水平過(guò)高,應時(shí)片會(huì )發(fā)生強烈振動(dòng),振動(dòng)區的溫度升高,應時(shí)片中的溫度梯度會(huì )降低頻率穩定性。當激發(fā)能級過(guò)高時(shí),機械變形超過(guò)彈性極限并引起[敏感詞]晶格位移,使頻率[敏感詞]改變,有時(shí)甚至損壞應時(shí);激勵電平過(guò)高,等效電阻增大,Q值降低,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則。如果激勵水平過(guò)高,容易引起寄生振動(dòng),同時(shí)會(huì )使老化變大。當然,如果激發(fā)電平太低,信噪比會(huì )降低,影響短期穩定性。如果激勵水平太低,諧振器就不容易開(kāi)始振動(dòng),影響工作的穩定性和可靠性。因此,在使用諧振器時(shí),應根據不同的要求嚴格控制激勵電平,不能為了增加輸出而任意提高激勵電平。


    三、石英振蕩電路的組成與設計


    石英振蕩電路的形式很多,但基本電路只有兩類(lèi):


    并聯(lián)晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器。前者石英晶體是以并聯(lián)諧振的形式出現,而后者則是以串聯(lián)諧振的形式出現。石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器XTAL 、電阻、PCB 等組成,[敏感詞]對各組成部分做簡(jiǎn)單說(shuō)明:


    1、IC:可根據實(shí)用的需要任意選用,如CMOS 反向器IC;專(zhuān)用振蕩IC;大規模的數字IC 中自備石英振蕩門(mén)。


    2 、負載特性:振蕩電路(除去CRYSTAL) ,具有一個(gè)負阻特性(用網(wǎng)絡(luò )頻譜分析儀) ,振蕩電路負阻值([敏感詞]) 必須大于3 倍的CRTSTAL 電阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振蕩電路才可以穩定的振蕩。


    3 、電容:可根據用戶(hù)的需要選用片式或傳統結構的產(chǎn)品,但是應注意選擇適用于高頻的、低損耗的,選用NP0 系列的溫度系數產(chǎn)品。


    4、電阻:在選擇尺寸的同時(shí)需注意功耗的滿(mǎn)足。


    5 、PCB :注意能滿(mǎn)足高頻的使用場(chǎng)合和注意盡量降低線(xiàn)路的分布參數,大面積接地和一點(diǎn)式接地方案的采納。有必要的時(shí)候應注意EMI 的防護。


    6 、石英諧振器XTAL :頻率大于1MHz 的諧振器應選用ATMODE ,可根據用戶(hù)的需要選擇合適的外形尺寸和封裝的晶體。

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