Quartz Crystal的諧振電路

來源：金洛鑫瀏覽：- 發布日期：2019-03-18 10:33:17【大中小】

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大家都知道Quartz Crystal是一種頻率控制元器件，是依賴頻率振蕩來工作的，其諧振電路的設計和布局，與頻率有非常大的關聯。晶振是這個行業的統稱，根據種類可以分為兩大類，一種是諧振器，一種是振蕩器，二者的電路設置相似但并不一樣，本文的主旨是探討石英晶振的諧振電路和電路中的Q值。

石英晶體諧振器在由分立的Rs，Cs和Ls構成的諧振電路上的眾多優點中，有一些優點是晶體更硬，并且具有遠高于普通分立元件所能構建的Q.例如，MHZ基本模式AT切割晶體可能具有Ci=0.01pF，Lr=0.1H，RI=5R和Q=106.O.Ol-pF電容器不可用，因為連接到這種電容器的引線將是單獨可能貢獻超過0.01pF。類似地，0.1-H電感器在物理上很大，需要包括大量匝數，并且需要超導以具有~5Sz的電阻。

石英和石英晶體單元：

石英晶體單元的高Q值和高剛度（小C）使其成為石英晶體振蕩器中的主要頻率和頻率穩定性元素。晶體單元的Q值遠高于其他電路元件的Q值。在通用晶體單元中，Q通常在lo4至106的范圍內。高穩定性?-MHZ晶體單元的Q通常在2至3百萬的范圍內。由晶體中的內部損耗限制的固有Q已經通過實驗確定為與頻率成反比（即，對于給定的諧振器類型，Qf乘積是常數）。對于AT和SC切割諧振器，當ff以MHz為單位時，最大Qf=1600萬。

石英（這是一種單晶形式的SiO*）一直是穩定石英晶體的首選材料，因為壓電晶體在1918年被用于振蕩器之后不久。雖然已經探索了許多其他材料，但沒有找到比石英更好。Quartz是唯一已知具有以下屬性組合的材料：

1.它是壓電的（“壓力電”;piezein在希臘語中意為“按壓”）。

2.當相對于石英的晶軸沿著適當的方向切割板時，可以制造零溫度系數諧振器。

3.在零溫度系數切割中，SC切割（見下文）中的一個是“應力補償”，它具有低的固有損耗（即，石英諧振器可以具有高Q值）。

4.它易于加工，因為它很硬但不脆，并且在正常條件下，除氟化物蝕刻劑外，它在所有物質中的溶解度都很低。

穩定性與可調性：

在大多數晶體振蕩器類型中，使用可變負載電容器將振蕩頻率調整到所需值。這種振蕩器的并聯諧振區域工作，其中電抗與頻率的斜率（即“剛度”）與C1成反比。為了最大化振蕩器電路中的電抗（或相位）擾動的頻率穩定性，電抗斜率（或相位斜率）必須最大。這要求Cr最小。然而，C1越小，調諧振蕩器越困難（即，對于給定的CL變化，Δf'越小）。最高穩定性的振蕩器使用具有小C1（和高Q）的晶體單元。由于C1隨著泛音數迅速減少，因此高穩定性振蕩器通常使用三次或五次泛音晶體單元。高于五分之一的泛音很少使用，因為RI也隨著泛音數迅速增加，并且通常需要一些可調性以允許將振蕩器設置為所需頻率。

寬調諧范圍VCXO壓控晶振使用大型Cl的基模晶體單元。電壓控制用于以下目的：頻率或鎖相兩個振蕩器;用于頻率調制;補償，如TCXO（見下文）;并用于校準（即，用于調節頻率以補償老化）。高穩定性，經過烤箱化的低頻VCXO可能具有f5x1O-7的頻率調節范圍和2xlo-*的老化速率，而寬調諧范圍lo-MHz VCXO可能具有以下調諧范圍：每分鐘f50（百萬分之一）和每年2ppm的老化速率。通常，在寬頻率范圍內調諧振蕩器會降低其穩定性，因為使振蕩器容易受到故意調諧也會使其容易受到導致無意識的因素的影響。例如，如果一個恒溫晶體振蕩器（OCXO）被設計成在特定的平均時間內具有1xlo-l2的穩定性并且可調諧性為1x10e7，那么晶體的負載電抗必須穩定在1x10P5用于平均時間。實現這樣的負載電抗穩定性是困難的，因為負載電抗受雜散電容和電感，變容二極管的電容與電壓特性的穩定性以及變容二極管上的電壓的穩定性的影響。此外，1xlop5負載電抗穩定性不僅必須在良性條件下保持，還要在變化的環境條件（溫度，振動，輻射等）下保持。因此，振蕩器的調諧范圍越寬，越難它是為了保持高穩定性。

諧振電路的設計關乎晶振和穩定性，壽命，性能和可靠性，普通的石英晶體電路簡單明了，高要求的SMD石英晶體振蕩器相對可能會復雜一些，目前業內常用的電路中，皮爾斯振蕩器的應用次數是比較多的，還有門振蕩器。因為這兩種振蕩器電路比較簡單，而且操作方便，適用于大范圍的生產。

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