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光學工程
石英晶體振蕩器原理與特點
      石英晶體振蕩器是高精度和高穩定度的振蕩器,被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中,以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1.石英晶體振蕩器的結構
      石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件,它的基本構成大致是:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
2.壓電效應
      若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
3.符號和等效電路
      石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時,機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效,它的數值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達1000~10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。
4.諧振頻率
      從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率,即(1)當L、C、R支路發生串聯諧振時,它的等效阻抗最小(等于R)。串聯揩振頻率用fs表示,石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性,(2)當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性,可與電容C。發生并聯諧振,其并聯頻率用fd表示。
      根據石英晶體的等效電路,可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線。當頻率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時,石英晶體呈容性。僅在fs<f<fd極窄的范圍內,石英晶體呈感性。
二、石英晶體振蕩器類型特點
      石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等,共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類:普通晶體振蕩(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),溫度補償式晶體振蕩(TCXO),恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發展中的還有數字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。
      普通晶體振蕩器(SPXO)可產生10^(-5)~10^(-4)量級的頻率精度,標準頻率1—100MHZ,頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施,價格低廉,通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
      電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)~10^(-5)量級,頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。
      溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償,頻率精度達到10^(-7)~10^(-6)量級,頻率范圍1—60MHz,頻率穩定度為±1~±2.5ppm,封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。
      恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中,以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級,對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振蕩器中最高。
三、石英晶體振蕩器的主要參數
      晶振的主要參數有標稱頻率,負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱頻率不同,標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等,對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上,也有的沒有標稱頻率,如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內部及外部所有有效電容之和,可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振,負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率,一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振:另一個為并聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以,標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至,不能冒然互換,否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩定度:由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求,對于高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振,如通信網絡,無線數據傳輸等系統就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此,晶振的參數決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振,因不同性能的晶振其價格不同,要求越高價格也越貴,一般選擇只要滿足要求即可。

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