小型水晶諧振器電路與參數(shù)
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2018年12月24
利用石英水晶為原料制成的水晶諧振器，是許多生產(chǎn)工廠并不陌生的一種電子配件，大部分尺寸都比較小，以毫米（mm）為單位，雖然是很小的一顆，但制造工序卻多達(dá)三十多道，還不包括后期的十幾道檢測(cè)，和部分加工技術(shù)。
石英晶體諧振器在電子設(shè)備中的重要性源于其極高的Q值，相對(duì)較小的尺寸和出色的溫度穩(wěn)定性。
石英晶體諧振器使用石英的壓電特性。直接壓電效應(yīng)是指由機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用引起的某些材料的電極化。相反的效果是指產(chǎn)生的變形
在相同材料中通過施加電場(chǎng)。在石英晶體諧振器中，相對(duì)于晶軸以適當(dāng)取向切割的薄石英片放置在兩個(gè)電極之間。施加到這些電極的交流電壓使石英同情地振動(dòng)。隨之而來的電極化的變化構(gòu)成了通過諧振器的電位移電流。
當(dāng)施加電壓的頻率接近石英切片的機(jī)械共振頻率之一時(shí)，振動(dòng)的幅度變得非常大。伴隨的位移電流也增加，因此裝置的有效阻抗在幅度上減小。隨著頻率在諧振附近變化，阻抗的快速變化是石英晶體諧振器作為進(jìn)口晶體振蕩器中的頻率控制元件應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
圖1-晶體的等效電路
在電學(xué)上，石英晶體可以用圖1的等效電路表示，其中串聯(lián)組合R1，L1和C1表示壓電效應(yīng)對(duì)阻抗的貢獻(xiàn)，C0表示電極之間的并聯(lián)電容以及任何雜散支架電容。電感L1是石英質(zhì)量的函數(shù)，而電容C1與其剛度相關(guān)。電阻R1由石英和安裝，布置中的損耗引起。
可以測(cè)量等效電路的參數(shù)，精度為1％。等效電路的電抗頻率曲線如圖所示
圖2-無功與頻率
有很多相關(guān)的晶振性能公式;第一個(gè)是fs。這是晶體串聯(lián)諧振的頻率，由下式給出：
其中fs以Hz為單位，L1為亨利，C1為法拉。典型的晶體參數(shù)值
校準(zhǔn)公差
校準(zhǔn)公差是頻率允許的最大偏差在特定溫度下的晶體，參考溫度（通常為25°C）。
圖4-低頻控制
頻率穩(wěn)定性
晶體因幾種原因而不穩(wěn)定。溫度變化和質(zhì)量的物理變化導(dǎo)致我們的長(zhǎng)期漂移呼叫老化可能是最關(guān)心我們的。溫度變化的影響通過適當(dāng)?shù)淖钚』x擇水晶切割和（對(duì)于嚴(yán)格的公差要求）包括晶體電路中的溫度相關(guān)電抗，或在小烤箱中保持恒溫。AT切割晶體是今天使用最廣泛的，因?yàn)樗麄兊念l率家庭。
除了最苛刻的應(yīng)用之外，溫度曲線很容易以低成本提供良好的性能。
未補(bǔ)償?shù)腁T切割晶體可以指定公差從-10°C到60°C降至±5ppm，需要更大的公差對(duì)于更寬的溫度范圍，如圖3所示，顯示a典型的AT切割頻率-溫度曲線族。這些曲線可以用三次方程表示并且是強(qiáng)烈依賴的關(guān)于石英晶振坯料的切割角度。零溫度點(diǎn)系數(shù)稱為上下轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一轉(zhuǎn)通過選擇切割角度可以將點(diǎn)放置在需要的位置;該然后固定另一個(gè)，因?yàn)閮烧叨际顷P(guān)于一個(gè)點(diǎn)的對(duì)稱在20°-30°C范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的斜率變?yōu)樗鼈円黄鹨苿?dòng)時(shí)變小設(shè)計(jì)用于水晶的水晶切割烤箱，使上轉(zhuǎn)折點(diǎn)與烤箱重合。
圖5-頻率/負(fù)載電容
工作溫度。
圖4顯示了幾個(gè)低頻切割的頻率溫度曲線。J切割使用低于10kHz，而XY切割可以使用可在3kHz至85kHz范圍內(nèi)使用?？梢栽?0kHz中使用NT切割范圍。DT切割適用于100kHz至約800kHz，CT切割適用于300kHz至900kHz。
圖6-典型的晶體拉伸靈敏度
負(fù)載電容
晶體可由制造商在fr處校準(zhǔn)，其中它們看起來是電阻性的（或非常接近fr的fs）或共振對(duì)于容性負(fù)載，當(dāng)然它們必須具有電感性。后一種情況稱為負(fù)載共振，表示為符號(hào)fL的一般術(shù)語;更具體地說，符號(hào)f30例如，它將代表石英水晶振子所處的頻率與30pF電容負(fù)載共振。
校準(zhǔn)時(shí)晶體電抗曲線上的點(diǎn)需要由電路配置決定。作為一般規(guī)則，石英晶體振蕩器中的非反相維持放大器需要fr處的校準(zhǔn)和反相放大器需要校準(zhǔn)“負(fù)載電容”的值，CL。后一種安排依賴于感應(yīng)晶體，以及它所處的負(fù)載電容共振，提供進(jìn)一步180°的相移。該規(guī)則最常見的例外是當(dāng)一個(gè)小電容器，例如，變?nèi)荻O管與晶體串聯(lián)放置非反相放大器電路提供一定程度的頻率調(diào)整。在這種情況下，必須校準(zhǔn)晶體與該電容的平均值共振。
可調(diào)性
石英晶體的可拉性是其頻率變化的量度給定的負(fù)載電容變化。這通常表示為其串聯(lián)諧振頻率（fr）與其負(fù)載之間的差異共振頻率（fL）。該偏移量可以按部分計(jì)算百萬使用分?jǐn)?shù)負(fù)載共振頻率偏移（DL），對(duì)于給定的CL值，實(shí)際頻率從fr變?yōu)閒L。
其中C1，C0和CL都以相同的單位表示。圖5顯示了頻率變化影響的典型曲線關(guān)于負(fù)載電容的變化?；蛘?，通常將晶體的可拉性表示為飾邊每pF負(fù)載電容變化的靈敏度ppm。這是在給出的ppm/pF：
其中C1，C0和CL是pF，并在圖6中以圖形方式顯示對(duì)于（C0+CL）的各種值。
本文重點(diǎn)講述了關(guān)于石英晶體諧振器重要的基礎(chǔ)知識(shí)，并配以相關(guān)的技術(shù)圖做為輔助，金洛鑫電子十幾年，對(duì)待晶體懷有始終如一的專注和認(rèn)真，用真誠和誠信面對(duì)每一位用戶中，相信金洛鑫電子，不會(huì)讓你失望！
石英晶體諧振器在電子設(shè)備中的重要性源于其極高的Q值，相對(duì)較小的尺寸和出色的溫度穩(wěn)定性。
石英晶體諧振器使用石英的壓電特性。直接壓電效應(yīng)是指由機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用引起的某些材料的電極化。相反的效果是指產(chǎn)生的變形
在相同材料中通過施加電場(chǎng)。在石英晶體諧振器中，相對(duì)于晶軸以適當(dāng)取向切割的薄石英片放置在兩個(gè)電極之間。施加到這些電極的交流電壓使石英同情地振動(dòng)。隨之而來的電極化的變化構(gòu)成了通過諧振器的電位移電流。
當(dāng)施加電壓的頻率接近石英切片的機(jī)械共振頻率之一時(shí)，振動(dòng)的幅度變得非常大。伴隨的位移電流也增加，因此裝置的有效阻抗在幅度上減小。隨著頻率在諧振附近變化，阻抗的快速變化是石英晶體諧振器作為進(jìn)口晶體振蕩器中的頻率控制元件應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
圖1-晶體的等效電路
在電學(xué)上，石英晶體可以用圖1的等效電路表示，其中串聯(lián)組合R1，L1和C1表示壓電效應(yīng)對(duì)阻抗的貢獻(xiàn)，C0表示電極之間的并聯(lián)電容以及任何雜散支架電容。電感L1是石英質(zhì)量的函數(shù)，而電容C1與其剛度相關(guān)。電阻R1由石英和安裝，布置中的損耗引起。
可以測(cè)量等效電路的參數(shù)，精度為1％。等效電路的電抗頻率曲線如圖所示
圖2-無功與頻率
有很多相關(guān)的晶振性能公式;第一個(gè)是fs。這是晶體串聯(lián)諧振的頻率，由下式給出：
其中fs以Hz為單位，L1為亨利，C1為法拉。典型的晶體參數(shù)值
校準(zhǔn)公差
校準(zhǔn)公差是頻率允許的最大偏差在特定溫度下的晶體，參考溫度（通常為25°C）。
圖4-低頻控制
頻率穩(wěn)定性
晶體因幾種原因而不穩(wěn)定。溫度變化和質(zhì)量的物理變化導(dǎo)致我們的長(zhǎng)期漂移呼叫老化可能是最關(guān)心我們的。溫度變化的影響通過適當(dāng)?shù)淖钚』x擇水晶切割和（對(duì)于嚴(yán)格的公差要求）包括晶體電路中的溫度相關(guān)電抗，或在小烤箱中保持恒溫。AT切割晶體是今天使用最廣泛的，因?yàn)樗麄兊念l率家庭。
除了最苛刻的應(yīng)用之外，溫度曲線很容易以低成本提供良好的性能。
未補(bǔ)償?shù)腁T切割晶體可以指定公差從-10°C到60°C降至±5ppm，需要更大的公差對(duì)于更寬的溫度范圍，如圖3所示，顯示a典型的AT切割頻率-溫度曲線族。這些曲線可以用三次方程表示并且是強(qiáng)烈依賴的關(guān)于石英晶振坯料的切割角度。零溫度點(diǎn)系數(shù)稱為上下轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一轉(zhuǎn)通過選擇切割角度可以將點(diǎn)放置在需要的位置;該然后固定另一個(gè)，因?yàn)閮烧叨际顷P(guān)于一個(gè)點(diǎn)的對(duì)稱在20°-30°C范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的斜率變?yōu)樗鼈円黄鹨苿?dòng)時(shí)變小設(shè)計(jì)用于水晶的水晶切割烤箱，使上轉(zhuǎn)折點(diǎn)與烤箱重合。
圖5-頻率/負(fù)載電容
工作溫度。
圖4顯示了幾個(gè)低頻切割的頻率溫度曲線。J切割使用低于10kHz，而XY切割可以使用可在3kHz至85kHz范圍內(nèi)使用?？梢栽?0kHz中使用NT切割范圍。DT切割適用于100kHz至約800kHz，CT切割適用于300kHz至900kHz。
圖6-典型的晶體拉伸靈敏度
負(fù)載電容
晶體可由制造商在fr處校準(zhǔn)，其中它們看起來是電阻性的（或非常接近fr的fs）或共振對(duì)于容性負(fù)載，當(dāng)然它們必須具有電感性。后一種情況稱為負(fù)載共振，表示為符號(hào)fL的一般術(shù)語;更具體地說，符號(hào)f30例如，它將代表石英水晶振子所處的頻率與30pF電容負(fù)載共振。
校準(zhǔn)時(shí)晶體電抗曲線上的點(diǎn)需要由電路配置決定。作為一般規(guī)則，石英晶體振蕩器中的非反相維持放大器需要fr處的校準(zhǔn)和反相放大器需要校準(zhǔn)“負(fù)載電容”的值，CL。后一種安排依賴于感應(yīng)晶體，以及它所處的負(fù)載電容共振，提供進(jìn)一步180°的相移。該規(guī)則最常見的例外是當(dāng)一個(gè)小電容器，例如，變?nèi)荻O管與晶體串聯(lián)放置非反相放大器電路提供一定程度的頻率調(diào)整。在這種情況下，必須校準(zhǔn)晶體與該電容的平均值共振。
可調(diào)性
石英晶體的可拉性是其頻率變化的量度給定的負(fù)載電容變化。這通常表示為其串聯(lián)諧振頻率（fr）與其負(fù)載之間的差異共振頻率（fL）。該偏移量可以按部分計(jì)算百萬使用分?jǐn)?shù)負(fù)載共振頻率偏移（DL），對(duì)于給定的CL值，實(shí)際頻率從fr變?yōu)閒L。
其中C1，C0和CL都以相同的單位表示。圖5顯示了頻率變化影響的典型曲線關(guān)于負(fù)載電容的變化?；蛘?，通常將晶體的可拉性表示為飾邊每pF負(fù)載電容變化的靈敏度ppm。這是在給出的ppm/pF：
其中C1，C0和CL是pF，并在圖6中以圖形方式顯示對(duì)于（C0+CL）的各種值。
本文重點(diǎn)講述了關(guān)于石英晶體諧振器重要的基礎(chǔ)知識(shí)，并配以相關(guān)的技術(shù)圖做為輔助，金洛鑫電子十幾年，對(duì)待晶體懷有始終如一的專注和認(rèn)真，用真誠和誠信面對(duì)每一位用戶中，相信金洛鑫電子，不會(huì)讓你失望！
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