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石英晶体谐振器
石英晶体振荡器
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石英晶体基础理论
•石英晶体特性
石英是一种压电材料,被发觉是自然界所产生的透明结晶物 ,它所展现的是非常稳定的压电效应,从化学与机械上的特性在早期的电子实验引起了极大的关注。
石英的主要成份为二氧化硅,虽然地壳表面有14%是由SiO2二氧化硅所组成的,但相对可使用部份是较稀少的,是因为需要的纯度不足以及其缺陷与瑕疵。
晶体元件具备着组成一极高稳定性频率产生电路的能力。其振荡模式及角度方位如表1,它支配着晶体的特性,如等效电路参数、频率、温度特性、负载电容特性及频率老化等。从使用的观点而言,这些特性是极重要的,将叙述如下。 
厚度切变振荡模式已广泛的被使用,其谐振频率是由晶片厚度决定,像AT,BT切角;调谐音叉振荡模式则由晶片长度来决定频率之高低。表1所示不同的振荡模式决定于切割角度、频率范围、厚度或长度及频率与曲率常数之间的关系。
   石英晶体的谐振频率通常是由组合振荡模式之振动片尺寸来决定的。振荡晶体的等效电路有益于说明支配晶体性能的基本概念。
如图2所示,晶体等效电路所表示的如下:
L1:动态电感(机械振荡) 

C1:动态电容(机械弹力) 

R1:串联电阻(能量损耗) 

Co(静电容) Co=Ct-CL(静电容为平行于电极之间再加上两引线间之杂散电容) 

负载电容CL是跨接在振荡电路上集晶体座与分布电容之总合,这是决定晶体在振荡电路上的条件因素,在晶体使用范围其功能被视为感抗,也就是说振荡电 路所呈现的是一个负电阻-R及一个电容CL串接在电路上,这电容称为“负载电容”。负载电容与频率的关系是非线性的。当电容量小时频率变化量大,但当电容 量加大时,其频率变化量就变小。在电路上,若负载电容量减小而使振荡频率有很大的宽限,这时频率稳定性将受到极大的影响,即便是微量的改变。

•振荡电路之等效回路
晶体在振荡电路上被视为一感抗:如图4所表示的,为要改善振荡电路的起振条件,最佳方法就是增加振荡电路的负电阻值-R,如果振荡电路的负电阻值不足,那将会使晶体谐振电阻过大,导致晶体起振条件差,因此振荡电路在设计时需要使负电阻值大于谐振电阻的5到10倍。
 
Fig.4:振荡电路之等效回路

•AT切频率温度特性
温度系数是晶体谐振频率在温度变化时的稳定性或偏差量振荡模式、轴向与晶棒平面的关系、晶片的尺寸及谐波都是决定温度系数的因素。
AT切割所表现三次方程式的频率对温度特性曲线,是目前最通用的,它显示最优质之宽温范围下的频率稳定性。晶片的切割角度是在正常的工作温度范围内被要求频率的容许误差。事实上,晶片在切割、抛光的连续加工过程中,都会因加工的精度导致切割的散乱。

石英晶体振荡器

1、 频率准确度:在规定条件下,晶振输出频率相对于标称频率的允许偏离值。常用其相对值表示。
2、 频率稳定度:  
2.1[时域表征]  
⑴ 在规定条件下,晶振内部元件由于老化而引起的输出频率随时间的漂移。通常用某一时间
间隔内的老化频差的相对值来量度(如日、月或年老化率等)。  
⑵ 日稳定度(或称日波动):指晶振的输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化
的相对值来表示。  
2.2[频域表征]  
⑴ 单边相位噪声功率谱密度,晶振输出信号的频谱中,用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边
相位噪声功率与信号功率之比的分贝(dB)量,可写作£(f)单位为dB/Hz。  
⑵ 频谱纯度:是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功率谱密度来表示。  
3、 输出波形:有正弦波和方波两种。
4、 输出幅度:在接入额定负载的规定条件下,晶振输出的均方根值电压。  
5、 频率温度特性:当环境温度在规定范围内按预定方式变化时,晶振的输出频率产生的相对变化特性。 
6、 压控线性度:指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。

应用指南

根据晶振的不同使用要求及特点,通常分为以下几类:普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。安装晶振时,应根据其引脚功能标识与应用电路应连接,避免电源引线与输出引脚相接输出。
 
在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量,交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度,连线合理布置,将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。

1、普通晶振(PXO):是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器,在整个温度范围内,晶振的频
率稳定度取决于其内部所用晶体的性能,频率稳定度在10-5量级,一般用于普通场所作为本振源或中间信号,是晶振中最廉价的产品。

2、温补晶振(TCXO):是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿,以达到在宽温温度范围
内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级,由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点,因而获行了广泛应用。  

3、压控晶振(VCXO):是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器,主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。

4、恒温晶振(OCXO):采用精密控温,使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8,高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。主要用作频率源或标准信。