什么是晶振？

定義：晶振一般指石英晶體振蕩器，也叫晶體振蕩器。

晶體振蕩器是一種使用逆壓電效應(yīng)的電子振蕩器電路，即當(dāng)電場(chǎng)施加在某些材料上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。因此，它利用壓電材料的振動(dòng)晶體的機(jī)械共振來(lái)產(chǎn)生具有非常精確頻率的電信號(hào)。

晶體振蕩器具有高穩(wěn)定性、品質(zhì)因數(shù)、小尺寸和低成本，這使得它們優(yōu)于其他諧振器，如 LC 電路、陶瓷諧振器、轉(zhuǎn)叉等。

電路符號(hào)：晶振是電子電路中最常用的電子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，單位為Hz，晶振的圖形符號(hào)如圖所示。

晶振的電路符號(hào)

晶振是怎么制成的？--如何從石英毛坯變成晶振？

石英毛坯在振蕩電路中用作諧振元件，當(dāng)受到電壓電位的影響時(shí)，它將開始以其“基本頻率”振動(dòng)和振蕩，這是一種相互關(guān)系：電路支持機(jī)械共振，反之亦然。晶體用于振蕩器的反饋回路中，以限制振蕩器的頻率。

下圖為從原始石英晶體材料到封裝為最終晶振圖。

從原始石英晶體坯料到封裝為最終的晶振圖

晶振內(nèi)部是怎么樣的？

如下圖所示，整個(gè)晶體被金屬外殼覆蓋。

晶振內(nèi)部圖

拆下這個(gè)金屬外殼后，我們可以看到一個(gè)像毯子一樣的網(wǎng)，以保護(hù)晶體免受機(jī)械損壞。

晶振內(nèi)部圖

在下圖中，我們可以看到外部金屬外殼內(nèi)的網(wǎng)狀外殼和晶振放置在其中。

晶振內(nèi)部圖

去除金屬覆蓋物后，我們可以看到石英晶體板及其與外部電極的連接方式，如下圖所示。

晶振內(nèi)部圖

晶振的工作原理

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

壓電效應(yīng)：若在石英晶體的兩個(gè)電極上加上一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

晶振的工作原理圖（來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。

在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)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(guān)。

晶振實(shí)物圖

當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)皮法到幾十皮法。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。

晶振的等效電路

在晶體振蕩器中，晶體被適當(dāng)?shù)厍懈畈惭b在兩個(gè)金屬板之間，如圖下圖左邊圖所示。其電氣等效如下圖右邊圖所示。

實(shí)際上，晶體的行為就像一個(gè)串聯(lián) RLC 電路，由組件組成：

低阻值電阻 R S

大值電感 L S

小值電容器 C S

然后將與其電極 C p的電容并聯(lián)。

晶振的等效電路圖

石英晶體的等效電路顯示了一個(gè)串聯(lián)RLC電路，它表示晶體的機(jī)械振動(dòng)，與一個(gè)電容Cp并聯(lián)，它表示與晶體的電氣連接，石英晶體振蕩器傾向于朝著它們的“串聯(lián)諧振”運(yùn)行。

晶振阻抗頻率

晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振，其中Cs在晶體工作頻率下與電感Ls諧振。該頻率稱為晶體系列頻率，?s。除了這個(gè)串聯(lián)頻率之外，當(dāng)Ls和Cs與并聯(lián)電容器Cp諧振時(shí)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，如下圖所示，還建立了第二個(gè)頻率點(diǎn)。

晶振阻抗頻率圖

上面晶體阻抗的斜率表明，隨著頻率在其端子上增加，在特定頻率下，串聯(lián)電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，將晶體阻抗降至最低并等于Rs，這個(gè)頻率點(diǎn)稱為晶體串聯(lián)諧振頻率?s，低于?s晶體是電容性的。

隨著頻率增加到該串聯(lián)諧振點(diǎn)以上，晶體的行為就像一個(gè)電感，直到頻率達(dá)到其并聯(lián)諧振頻率?p。

在這個(gè)頻率點(diǎn)，串聯(lián)電感Ls和并聯(lián)電容器Cp之間的相互作用產(chǎn)生了一個(gè)并聯(lián)調(diào)諧的 LC 諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達(dá)到了最大值。

因此，根據(jù)電路特性，石英晶體可以用作電容、電感、串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，為了更清楚地說(shuō)明這一點(diǎn)，我們可以·看下圖晶體電抗與頻率的關(guān)系。

晶振電抗頻率

如下圖所示，電抗與上述頻率的斜率表明，頻率?s處的串聯(lián)電抗與Cs成反比，因?yàn)榈陀?s和高于?p晶體呈現(xiàn)電容性。

在頻率?s和?p之間，由于兩個(gè)并聯(lián)電容抵消，晶體呈現(xiàn)電感性。

晶振電抗頻率圖

串聯(lián)諧振頻率

根據(jù)下圖的等效電路圖可以得出串聯(lián)諧振頻率：

晶振等效電路圖

串聯(lián)諧振頻率公式

并聯(lián)諧振頻率

當(dāng)串聯(lián) LC 支路的電抗等于并聯(lián)電容器的電抗Cp時(shí)，會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)諧振頻率?p，并給出如下：

并聯(lián)諧振頻率公式

石英晶體振蕩器示例

石英晶體具有以下值：Rs = 6.4Ω，Cs = 0.09972pF，Ls = 2.546mH。如果其兩端的電容，Cp測(cè)量為28.68pF，計(jì)算晶體的基本振蕩頻率及其次級(jí)諧振頻率。

晶振串聯(lián)諧振頻率，? S：

串聯(lián)諧振頻率計(jì)算

晶振的并聯(lián)諧振頻率，? P：

并聯(lián)諧振頻率計(jì)算

可以看到，晶振的基頻 ?s 和?p之間的差異很小，約為 18kHz (10.005MHz – 9.987MHz)。然而，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，晶體的 Q 因子（品質(zhì)因數(shù)）非常高，因?yàn)榫w的電感遠(yuǎn)高于其電容或電阻值。

晶體振蕩器 Q 因子：

晶振在串聯(lián)諧振頻率下的 Q 因子為：

晶體振蕩器Q因子

晶體示例的 Q 因子約為 25,000，是因?yàn)檫@種高X L / R比率。

大多數(shù)晶體的 Q 因子在 20,000 到 200,000 之間，良好的 LC 調(diào)諧槽路電路將遠(yuǎn)小于 1,000。

這種高 Q 因子值還有助于晶體在其工作頻率下的更高頻率穩(wěn)定性，使其成為構(gòu)建晶體振蕩器電路的理想選擇。

已經(jīng)看到石英晶體的諧振頻率與電調(diào)諧 LC 諧振電路的諧振頻率相似，但Q因子要高得多，這主要是由于其低串聯(lián)電阻Rs。因此，石英晶體是振蕩器特別是高頻振蕩器的絕佳組件選擇。

典型的晶體振蕩器的振蕩頻率范圍可以從大約 40kHz 到遠(yuǎn)高于 100MHz，具體取決于它們的電路配置和使用的放大設(shè)備。晶體的切割也決定了它的行為方式，因?yàn)橐恍┚w會(huì)以一種以上的頻率振動(dòng)，從而產(chǎn)生稱為泛音的額外振蕩。

此外，如果晶體的厚度不平行或不均勻，它可能具有兩個(gè)或多個(gè)諧振頻率，都具有產(chǎn)生所謂的諧波的基頻和諧波，例如二次或三次諧波。

影響晶振振蕩頻率的主要因素

工作點(diǎn)變化

我們之前已經(jīng)了解過(guò)晶體管，并且知道了工作點(diǎn)的重要性，對(duì)于晶振來(lái)說(shuō)，這個(gè)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性需要更高的考慮。

使用的有源器件的操作被調(diào)整到其特性的線性部分，該點(diǎn)由于溫度變化而移動(dòng)，因此穩(wěn)定性受到影響。

溫度變化

振蕩電路中的振蕩電路包含各種元件，例如電阻、電容和電感。它們的所有參數(shù)都取決于溫度，由于溫度的變化，它們的值會(huì)受到影響，這就會(huì)影響到振動(dòng)電路頻率的變化。

電源影響

供電功率的變化會(huì)影響頻率，電源變化導(dǎo)致V cc變化，從而影響所產(chǎn)生的振蕩頻率。

為了避免這種情況的發(fā)生，實(shí)施了穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為 RPS。

輸出負(fù)載變化

輸出電阻或輸出負(fù)載的變化會(huì)影響振蕩器的頻率。當(dāng)連接負(fù)載時(shí)，儲(chǔ)能電路的有效電阻會(huì)發(fā)生變化。

LC調(diào)諧電路的Q因數(shù)發(fā)生了變化，這就會(huì)導(dǎo)致振蕩器的輸出頻率發(fā)生變化。

元件間電容的變化

元件間電容是在二極管和晶體管等 PN 結(jié)材料中產(chǎn)生的電容，這些是由于它們?cè)诓僮鬟^(guò)程中存在的電荷而產(chǎn)生的。

由于溫度、電壓等各種原因，元件間電容會(huì)發(fā)生變化。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)跨過(guò)有問(wèn)題的元件間電容連接 電容來(lái)解決。

Q值

振蕩器中的 Q（品質(zhì)因數(shù)）值必須很高。調(diào)諧振蕩器中的 Q 值決定了選擇性。由于該 Q 與調(diào)諧電路的頻率穩(wěn)定性成正比，因此 Q 值應(yīng)保持較高。

如果Q值的變化，將會(huì)影響到頻率穩(wěn)定性。

編輯：黃飛