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石英晶振工作原理

石英晶體振蕩器分非 溫度補償式 晶體振蕩器溫度補償晶體振蕩器( TCXO)、電壓控制晶體振蕩器VCXO)、恒溫控制式晶體振蕩器( OCXO)和數字化/μp補償式晶體振蕩器(DCXO/MCXO)等幾種類型。其中,無溫度補償晶體振蕩器是最簡單的一種,在 日本工業标準( JIS)中,稱其為标準封裝晶體振蕩器(SPXO)。現以SPXO為例,簡要介紹一下石英晶體振蕩器的結構與工作原理。

石英晶體,有天然的也有人造的,是一種重要的 壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器,它隻有借 助于有源激勵和無源電抗網絡方可産生振蕩。SPXO主要是由 品質因數(Q)很高的 晶體諧振器(即晶體振子)與反饋式 振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件,晶體的頻率( 基頻或n次 諧波頻率)及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。 石英晶體諧振器的基本結構、(金屬殼)封裝及其 等效電路如圖1所示。

隻要在晶體振子闆極上施加 交變電壓,就會使晶片産生機械 變形振動,此現象即所謂 逆壓電效應。當外加電壓頻率等于晶體諧振器的 固有頻率時,就會發生 壓電諧振,從而導緻機械變形的振幅突然增大。在圖1(c)所示的 晶體諧振器的等效電路中,Co為晶片

(a)石英晶體振子的結構

(b)金屬殼封裝示圖(c)等效電路

與金屬闆之間的靜電電容;L、C為壓電諧振的等效參量;R為振動磨擦損耗的 等效電阻。 石英晶體諧振器存在一個串聯 諧振頻率fos(1/2π),同時也存在一個 并聯諧振頻率fop(1/2π)。由于Co?C,fop與fos之間之差值很小,并且R?ωOL,R?1/ωOC,所以 諧振電路的 品質因數Q非常高(可達數百萬),從而使石英晶體諧振器組成的振蕩器 頻率穩定度十分高,可達10-12/日。 石英晶體振蕩器的振蕩頻率既可近似工作于fos處,也可工作在fop附近,因此石英晶體振蕩器可分串聯型和并聯型兩種。用石英晶體諧振器及其 等效電路,取代LC振蕩器中構成 諧振回路的電感(L)和電容(C)元件,則很容易理解 晶體振蕩器的工作原理。

SPXO的總精度(包括起始精度和随溫度、電壓及負載産生的變化)可以達到±25ppm。SPXO既無 溫度補償也無溫度控制措施,其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0~70℃範圍内,SPXO的 頻率穩定度通常為20~1000ppm,SPXO可以用作鐘頻振蕩器。