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石英晶体振荡器@@原理@@

发布时@@间@@:2020-11-03   点击次@@数@@:984次@@

石英晶体振荡器@@是高@@精度和@@高@@稳固度的@@振荡器@@@@,被广泛应用于彩电@@、计算机@@、遥控器等@@各类@@振荡电路中@@,以及@@通信系统中用于频率发生器@@、为数据处理设备产生时@@钟信号和@@为特定系统提供基准信号@@。

一@@、石英晶体振荡器@@的@@基本原理@@
1、石英晶体振荡器@@的@@结构@@
      石英晶体振荡器@@是利用石英晶体@@(二@@氧化硅的@@结晶体@@)的@@压电效应@@制成的@@一@@种谐振器件@@,它的@@基本构成@@大致是@@:从一@@块石英晶体上@@按一@@定方位角切下薄@@片@@(简称为晶片@@,它可以是正方形@@、矩形或@@圆形等@@@@),在@@它的@@两个对应面上@@涂敷银层作为电极@@,在@@每个电极上@@各焊一@@根引线接到@@管脚@@ 上@@,再加上@@封装外@@壳就构成@@了石英晶体谐振器@@,简称为石英晶体或@@晶体@@、晶振@@。其产品@@一@@般@@用金属外@@壳封装@@,也有用玻璃壳@@、陶瓷或@@塑料封装的@@@@@@。下图是一@@种金属外@@壳封装的@@@@石英晶体结构示意图@@。
2、压电效应@@
      若在@@石英晶体的@@两个电极上@@加一@@电场@@,晶片就会产生机械变形@@。反之@@,若在@@晶片的@@两侧施加机械压力@@,则在@@晶片相应的@@方向上@@将产生电场@@,这种物理现象称为压电效应@@@@。如@@果在@@晶片的@@两极上@@加交变电压@@,晶片就会产生机械振动@@,同时@@晶片的@@机械振动又会产生交变电场@@。在@@一@@般@@情况下@@,晶片机械振动的@@振幅和@@交变电场的@@振幅非常微小@@@@,但当@@外@@加交变电压的@@频率为某一@@特定值时@@@@,振幅明显加大@@,比其他频率下的@@振幅大得多@@,这种现象称为压电谐振@@,它与@@LC回路的@@谐振现象十分相似@@。它的@@谐振频率@@与晶片的@@切割方式@@、几何形状@@、尺寸等@@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@@@@,可把它看成一@@个平板电容器称为静电电容@@C,它的@@大小@@与晶片的@@几何尺寸@@、电极面积有关@@,一@@般@@约几个@@PF到@@几十@@PF。当@@晶体振荡时@@@@,机械振动的@@惯性可用电感@@L吹刃@@АR话鉒的@@值为几十@@mH 到@@几百@@mH。晶片的@@弹性可用电容@@C来等@@效@@,C的@@值很小@@@@@@,一@@般@@只有@@0.0002~0.1pF。晶片振动时@@因摩擦而@@造成的@@损耗用@@R来等@@效@@,它的@@数值约为@@100Ω。由于晶片的@@等@@效电感很大@@@@,而@@C很小@@@@,R也小@@@@,因此@@回路的@@品质因数@@Q很大@@,可达@@1000~10000。加上@@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@@、尺寸有关@@,而@@且可以做得@@**,因此@@利用石英谐振器组成的@@振荡电路可获得很高@@的@@频率稳固度@@。
4、谐振频率@@
      从石英晶体谐振器的@@等@@效电路可知@@,它有两个谐振频率@@@@,即@@(1)当@@L、C、R支路发生串联谐振时@@@@,它的@@等@@效阻抗@@*小@@(等@@于@@R)。串联揩振频率用@@fs表示@@,石英晶体对于串联揩振频率@@fs呈纯阻性@@,(2)当@@频率高@@于@@fs时@@L、C、R支路呈感性@@,可与电容@@C。发生并联谐振@@,其并联频率用@@fd表示@@。
根据石英晶体的@@等@@效电路@@,可定性画出它的@@电抗@@—频率特性曲线如@@图@@@@2e所示@@。可见当@@频率低于串联谐振频率@@@@fs或@@者频率高@@于并联揩振频率@@fd时@@,石英晶体呈容性@@。仅在@@@@fs<f<fd极窄的@@范围内@@,石英晶体呈感性@@。
二@@、石英晶体振荡器@@类@@型@@特点@@
      石英晶体振荡器@@是由品质因素极高@@的@@石英晶体振子@@(即@@谐振器和@@振荡电路组成@@。晶体的@@品质@@、切割取向@@、晶体振子的@@结构及@@电路形式等@@@@,共同决定振荡器@@的@@性能@@。电工委员会@@(IEC)将石英晶体振荡器@@分为@@4类@@:普通晶体振荡@@(TCXO),电压控制式晶体振荡器@@@@(VCXO),温度补偿式晶体振荡@@(TCXO),恒温控制式晶体振荡@@(OCXO)。目前@@发展中的@@还有数字补偿式晶体损振荡@@(DCXO)等@@。
      普通晶体振荡@@器@@(SPXO)可产生@@10^(-5)~10^(-4)量级@@的@@频率精度@@@@,标准频率@@1—100MHZ,频率稳固度是@@±100ppm。SPXO没有采用@@任何温度频率补偿措施@@,价格低廉@@,通常用作微处理器的@@时@@钟器件@@。封装尺寸@@范围从@@21×14×6mm及@@5×3.2×1.5mm。
      电压控制式晶体振荡器@@@@(VCXO)的@@精度是@@10^(-6)~10^(-5)量级@@,频率范围@@1~30MHz。低容差振荡器@@的@@频率稳固度是@@@@±50ppm。通常用于锁相环路@@。封装尺寸@@14×10×3mm。
      温度补偿式晶体振荡@@器@@(TCXO)采用@@温度敏感器件进行温度频率补偿@@,频率精度@@达到@@@@10^(-7)~10^(-6)量级@@,频率范围@@1—60MHz,频率稳固度为@@±1~±2.5ppm,封装尺寸@@从@@30×30×15mm至@@11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话@@、蜂窝电话@@、双向无线通信设备等@@@@。
      恒温控制式晶体振荡@@器@@(OCXO)将晶体和@@振荡电路置于恒温箱中@@,以消除@@环境温度变化对频率的@@影响@@。OCXO频率精度@@是@@10^(-10)至@@10^(-8)量级@@,对某些特殊应用甚至@@达到@@更高@@@@。频率稳固度在@@四@@种类@@型@@振荡器@@中@@*高@@。
三@@、石英晶体振荡器@@的@@主要参数@@
      晶振@@的@@主要参数有标称频率@@,负载电容@@、频率精度@@、频率稳固度等@@@@。不同的@@晶振@@标称频率不同@@,标称频率大都标明在@@晶振@@外@@壳上@@@@。如@@常用普通晶振@@标称频率有@@:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等@@,对于特殊要求的@@晶振@@频率可达@@到@@@@1000 MHz以上@@@@,也有的@@没有标称频率@@,如@@CRB、ZTB、Ja等@@系列@@。负载电容@@是指晶振@@的@@两条引线连接@@IC块内部及@@外@@部所有有效电容之和@@@@,可看作晶振@@片在@@电路中串接电容@@。负载频率不同决定振荡器@@的@@振荡频率不同@@。标称频率相同的@@晶振@@@@,负载电容@@不一@@定相同@@。因为石英晶体振荡器@@有两个谐振频率@@@@,一@@个是串联揩振晶振@@的@@低负载电容@@晶振@@@@:另一@@个为并联揩振晶振@@的@@高@@负载电容@@晶振@@@@。所以@@,标称频率相同的@@晶振@@@@互换时@@还必须要求负载电容@@一@@至@@@@,不能冒然互换@@,否则会造成电器工作不正常@@。频率精度@@和@@频率稳固度@@:由于普通晶振@@的@@性能基本都能达到@@一@@般@@电器的@@要求@@,对于上@@等@@设备还需要有一@@定的@@频率精度@@和@@频率稳固度@@@@。频率精度@@从@@10^(-4)量级@@到@@@@10^(-10)量级@@不等@@@@@@。稳固度从@@±1到@@±100ppm不等@@@@。这要根据具体的@@设备需要而@@选择合适的@@晶振@@@@,如@@通信网络@@,无线数据传输@@等@@系统就需要更高@@要求的@@石英晶体振荡器@@@@。因此@@,晶振@@的@@参数决定了晶振@@的@@品质和@@性能@@。在@@实际应用中要根据具体要求选择适当@@的@@晶振@@@@,因不同性能的@@晶振@@其价格不同@@,要求越高@@价格也越贵@@,一@@般@@选择只要满足要求即@@可@@。
四@@、石英晶体振荡器@@的@@发展趋势@@
1、小@@型@@化@@、薄@@片化和@@片式化@@:为满足为代表的@@便携式产品@@轻@@、薄@@、短小@@的@@要求@@,石英晶体振荡器@@的@@封装由传统的@@裸金属外@@壳覆塑料金属向陶瓷封装转变@@。例如@@@@TCXO这类@@器件的@@体积缩小@@了@@30~100倍@@。采用@@SMD封装的@@@@TCXO厚度不足@@2mm,目前@@5×3mm尺寸的@@器件已经@@上@@市@@。
2、高@@精度与高@@稳固度@@,目前@@无补偿式晶体振荡器@@总精度也能达到@@@@±25ppm,VCXO的@@频率稳固度在@@@@10~7℃范围内一@@般@@可达@@@@±20~100ppm,而@@OCXO在@@同一@@温度范围内频率稳固度一@@般@@为@@±0.0001~5ppm,VCXO控制在@@@@±25ppm以下@@。
3、低噪声@@,高@@频化@@,在@@GPS通信系统中是不允许频率颤抖的@@@@,相位噪声是表征振荡器@@频率颤抖的@@一@@个重要参数@@。目前@@OCXO主流产品@@的@@相位噪声性能有很大@@改善@@。除@@VCXO外@@,其它类@@型@@的@@晶体振荡器@@@@*高@@输出频率不超过@@200MHz。例如@@@@用于@@GSM等@@的@@@@UCV4系列压控振荡器@@@@,其频率为@@650~1700 MHz,电源电压@@2.2~3.3V,工作电流@@8~10mA。
4、低功能@@,快速启动@@,低电压工作@@,低电平驱动和@@低电流消耗已成为一@@个趋势@@。电源电压@@一@@般@@为@@3.3V。目前@@许多@@TCXO和@@VCXO产品@@,电流损耗不超过@@2 mA。石英晶体振荡器@@的@@快速启动@@技术也取得突破性进展@@。例如@@@@日本精工生产的@@@@VG—2320SC型@@VCXO,在@@±0.1ppm规定值范围条件下@@,频率稳固时@@间小@@于@@4ms。日本东京陶瓷公司生产的@@@@SMD TCXO,在@@振荡启动@@4ms后则可达@@到@@额定值的@@@@90%。OAK公司的@@@@10~25 MHz的@@OCXO产品@@,在@@预热@@5分钟后@@,则能达到@@@@±0.01 ppm的@@稳固度@@。
五@@、石英晶体振荡器@@的@@应用@@
1、石英钟走时@@准@@、耗电省@@、经@@久耐用为其@@*大优点@@。不论是老式石英钟或@@是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器@@为核心电路@@,其频率精度@@决定了电子钟表的@@走时@@精度@@。石英晶体振荡器@@原理@@的@@示意如@@图@@@@3所示@@,其中@@V1和@@V2构成@@CMOS反相器石英晶体@@Q与振荡电容@@C1及@@微调电容@@C2构成@@振荡系统@@,这里石英晶体相当@@于电感@@。振荡系统的@@元件参数确定了振频率@@。一@@般@@Q、C1及@@C2均为外@@接元件@@。另外@@@@R1为反馈电阻@@,R2为振荡的@@稳固电阻@@,它们都集成在@@电路内部@@。故无法通过改变@@C1或@@C2的@@数值来调整走时@@精度@@。但此时@@我们仍可用加接一@@只电容@@C有方法@@,来改变振荡系统参数@@,以调整走时@@精度@@。根据电子钟表走时@@的@@快慢@@,调整电容有两种接法@@:若走时@@偏快@@,则可在@@石英晶体两端并接电容@@C,如@@图@@4所示@@。此时@@系统总电容加大@@,振荡频率变低@@,走时@@减慢@@。若走时@@偏慢@@,则可在@@晶体支路中串接电容@@C。如@@图@@5所示@@。此时@@系统的@@总电容减小@@@@,振荡频率变高@@@@,走时@@增快@@。只要经@@过耐心的@@反复试验@@,就可以调整走时@@精度@@@@。因此@@,晶振@@可用于时@@钟信号发生器@@。
2、随着电视技术的@@发展@@,近来彩电多采用@@@@500kHz或@@503 kHz的@@晶体振荡器@@作为行@@、场电路的@@振荡源@@,经@@1/3的@@分频得到@@@@ 15625Hz的@@行频@@,其稳固性和@@可靠性大为提高@@@@。面且晶振@@价格便宜@@,更换容易@@。
3、在@@通信系统产品@@中@@,石英晶体振荡器@@的@@价值得到@@了更广泛的@@体现@@,同时@@也得到@@了更快的@@发展@@。许多高@@性能的@@石英晶振@@主要应用于通信网络@@、无线数据传输@@、高@@速数字数据传输等@@@@。

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