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光学工程
石英晶体振荡器原理与特点
      石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器,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。
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来等效。一般L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,而且可以做得精确,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定度。
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,它的等效阻抗最小(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。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。国际电工委员会(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,频率稳定度是±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定度是±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,频率稳定度为±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。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。
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、频率稳定度等。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。频率精度和频率稳定度:由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求,对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。稳定度从±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。

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