石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路

石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。对于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。

一、石英晶体的特点

）结晶体按一

将二氧化硅（SiO

2

定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶

片两个对应的表面抛光和涂敷银层,

并作为两个极引出管脚, 加以封装,

就构成石英晶体谐振器。其结构示意

图和符号如右图所示。

1.压电效应和压电振荡

在石英晶体两个管脚加交变电场时, 它将会产有利于一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 上述物理现象称为压电效应。一般情况下, 无论是机械振动的振幅, 还是交变电场的振幅都非常小。但是, 当交变电场的频率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率, 也称谐振频率。

2.石英晶体的等效电路和振荡频率

石英晶体的等效电路如下图（a）所示。当石英晶体不振动时, 可等效为一个平板电容C0, 称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积, 一般约为几到几十皮法。当晶片产生振动时, 机械振动的惯性等效为电感L, 其值为几毫亨。晶片的弹性等效为电容C, 其值仅为0.01到0.1pF, 因此, C<f s时, L、C、R支路呈感性, 将与C0产生并联谐振, 石英晶体又呈纯阻性, 谐振频率由于C<f P时, 电抗主要决定于C0, 石英晶体又呈容性。因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在

f

愈接近, 石英晶体呈感性的频带愈狭。根据品质因数的表达式由于C和R的数

值都很小, L数值很大, 所以Q值高达104~106。频率稳定度Δf/f0可达10-6~10-8,

采用稳频措施后可达10-10~10-11。而LC振荡器的Q值只能达到几百, 频率稳定度

只能达到10-5。

二、石英晶体正弦波振荡电路

1.并联型石英晶体正弦波振荡电路

如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波

振荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。

2.串联型石英晶体振荡电路

如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。电容C b为旁路电容, 对交流信号

可视为短路。电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。若断开反

管集电极动态电位为馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T

1

管的发射极动态电位也为“+”。只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串“+”, T

2

联谐振时, 反馈电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条

件。所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率f S。调整R f的阻值, 可使

电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。

石英晶体基础知识

1、石英晶体的应用：a、石英钟b、温度计c、压力指示器（频率与应力）d、加速度计

2、晶体的自然面及解理面平行于原子面

3、石英的机械、电气、化学和温度等综合性能，都满足需要电气通讯领域。

4、石英生长愈慢、质量愈佳。

5、大部分高质量石英晶体产自巴西。

6、结晶缺陷：a、晶格空位b、填隙原子c、夹杂原子d、生长位错

7、BT切比AT切片厚50%

8、现在通讯系统需要较宽温度范围，频率偏移要小。

9、典型晶体元件指标：

a、工作频率：50MHz

b、温度范围：-55～+105℃

c、频率漂移：±50ppm

10、天然石英与培育石英之间差别：a、杂质原子b、填隙原子c、晶格空位

11、石英晶体的培育：居里温度点：>573℃贝他石英结构：六角形

<573℃a石英结构：三角形

12、高压釜典型尺寸

长为3～5米；直径：半米或半米以上；壁厚：10～15cm；温度：约350℃；压力：约1400大气压

13、石英压电晶体作用：对电气通讯中的载波记号频率进行控制和管理。

14、石英元件实现了压电振子的机械谐振频率同电路之间的耦合。（机电换能器）

15、压电理论：

石英的机械特性与电路是通过压效应来实现耦合的。

石英晶体元件在振荡器电路中的功能是划分出等时间间隔，（稳定振荡频率）。

一维振动：只要起控制作用的那一维尺寸比其他维尺寸大得多或小得多，那么振动就能够被看成是近似一维的。

活动性下降：在压电振子的温度改变时，偶尔会有一种模的频率与振荡器频率重合，所产生的额外能耗减少了振荡（活动性）的幅度。这种现象称为活动性下降。当频率远离谐振频率时，石英片等效于简单的平行板电容器。

16、为了得到最大的稳定性，晶体元件应工作于最低振幅，即最低的激励电平。

17、AT和BT切石英晶体元件的主模频率取决于片子厚度，而大部分寄生模的频率则取决于侧面尺寸。

18、如果非活动带的宽度大于片子厚度20倍或20倍以上，它也可以成为支撑片的非活动区。

19、减小石英片表面的曲率半径，非谐波泛音模的频率就会向高处移动，而且泛音频谱也会变得更为疏散。

20、修外形对参数的影响：

修整的不多：由于支架引起的阻尼损耗就会有所减少，而且由于寄生模与主模分开了，等效电阻值就会下降。继续修下去：R值又会升高，因为振动面积缩小了。L升高而C下降r=c0/c，也会受影响。大而薄的AF片子：r理论值为154，测量值总是大于154，通过仔细调整与外形有关的电极区尺寸可以获得r值低达190。