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石英晶振的基本原理与电路设计

发布时间:2022-05-07作者来源:荣泰电子浏览:238

石英晶振是一种高精度、高稳定度的振荡器,它是用石英晶体的压电效应制成的谐振元件来代替LC选频电路。广泛应用于各种电子产品的振荡电路中,如通讯系统中的频率发生器。功能:为数据处理设备产生时钟信号,提供系统振荡脉冲,稳频选频。下面简单介绍一下应时晶体振荡器的基本特性、稳频条件、和电路设计。


一、水晶体材料的基本特性


石英晶振是一种利用应时晶体(二氧化硅晶体)的压电效应制成的谐振器件。其基本结构大致如下:从一块应时晶体上按一定方位切下一片,在其对应的两个面上镀上银层作为电极,在每个电极上焊上一根引线连接到插针上,加上封装外壳,形成一个石英晶体谐振器,简称应时晶体或晶体、晶体振荡器。产品一般采用金属外壳封装,也有玻璃外壳、陶瓷或塑料。


石英晶振在压力下变形,同时,它被电极化。极化强度与压力成正比,称为‘正压电效应’。相反,在电场的作用下,晶体发生形变,形变与电场强度成正比,这种现象称为‘负压电效应’。


在二十多种具有压电效应的晶体中,应时晶体是无线通信设备中最令人满意的材料之一。其机械强度高,理化性能稳定,内部损耗低,用其制作的器件广泛应用于频率控制和频率选择电路中。应时的压电特性、、弹性特性和强度特性随取向不同而不同,由其制成的谐振器性能也不同。现在已经发现了几十种有用的切割方法。


二、石英谐振器的稳频条件


应时晶体振荡器的频率稳定度与以下几个方面有关:负载电容、的激励电平


1、负载电容。一般石英谐振器在振荡电路中作为电感元件来稳定频率,而电路的其他元件可以等效为负载电容,这会影响石英谐振器的等效参数和频率稳定性。


从石英晶体振荡器的两个脚向振荡电路看到的所有有效电容都是由振荡电路加到应时晶体振荡器上的负载电容。电路的工作频率由电容和应时晶体振荡器决定。通过调节负载电容,可以将振荡电路的工作频率调节到标称值。应合理选择负载电容。电容过大时,杂散电容的影响会降低,但微调率会降低。电容过小时,微调率会增大,但杂散电容的影响会增大,、负载的谐振电阻会增大,甚至难以起振。


2、激励电平。一般以70 -100uA为佳,用激励功率表示时,以1-100u为佳。激励电平直接影响石英谐振器的性能,因此电路设计者必须严格控制石英谐振器工作在规定的激励电平,才能充分发挥石英谐振器的特性。一般来说,小的激发水平有利于长期稳定,稍大的激发水平有利于短期稳定。但是,如果激励水平过高,应时片会发生强烈振动,振动区的温度升高,应时片中的温度梯度会降低频率稳定性。当激发能级过高时,机械变形超过弹性极限并引起永久晶格位移,使频率永久改变,有时甚至损坏应时;激励电平过高,等效电阻增大,Q值降低,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则。如果激励水平过高,容易引起寄生振动,同时会使老化变大。当然,如果激发电平太低,信噪比会降低,影响短期稳定性。如果激励水平太低,谐振器就不容易开始振动,影响工作的稳定性和可靠性。因此,在使用谐振器时,应根据不同的要求严格控制激励电平,不能为了增加输出而任意提高激励电平。


三、石英振荡电路的组成与设计


石英振荡电路的形式很多,但基本电路只有两类:


并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。前者石英晶体是以并联谐振的形式出现,而后者则是以串联谐振的形式出现。石英振荡电路主要由IC、石英谐振器XTAL 、电阻、PCB 等组成,下面对各组成部分做简单说明:


1、IC:可根据实用的需要任意选用,如CMOS 反向器IC;专用振荡IC;大规模的数字IC 中自备石英振荡门。


2 、负载特性:振荡电路(除去CRYSTAL) ,具有一个负阻特性(用网络频谱分析仪) ,振荡电路负阻值(绝对值) 必须大于3 倍的CRTSTAL 电阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振荡电路才可以稳定的振荡。


3 、电容:可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品,但是应注意选择适用于高频的、低损耗的,选用NP0 系列的温度系数产品。


4、电阻:在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。


5 、PCB :注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数,大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意EMI 的防护。


6 、石英谐振器XTAL :频率大于1MHz 的谐振器应选用ATMODE ,可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体。