
1、石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是一种利用应时晶体(二氧化硅晶体)的压电效应制成的谐振器件。其基本结构大致如下:切片(简称圆片,可以是正方形、长方形或圆形等。)是从一块应时晶体上按一定方位切割下来的,在其对应的两个面上镀上银层作为电极,在每个电极上焊接一根引线连接到插针上,封装外壳形成一个石英晶体谐振器,简称应时晶体或水晶。通常,产品用金属外壳包装,但也用玻璃外壳、陶瓷或塑料包装。
2、压电效应
如果在应时晶体的两个电极上施加电场,晶片将发生机械变形。相反,如果对晶片的两面都施加机械压力,就会在晶片的相应方向上产生电场。这种物理现象被称为压电效应。如果在晶片的两极施加交变电压,晶片会产生机械振动,同时晶片的机械振动会产生交变电场。一般来说,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都很小,但当外加交变电压的频率为某一值时,振幅明显增大,远大于其他频率。这种现象称为压电谐振,与LC电路的谐振现象非常相似。其共振频率与切割模式、几何形状和晶片尺寸有关。
3、符号和等效电路
当晶体不振动时,可视为平板电容,称为静电电容c,其大小与晶片的几何尺寸和电极面积有关,一般约为几PF到几十PF。晶体振荡时,机械振动的惯性可以等效为电感l,l的一般取值为几十mH到几百mH。芯片的弹性可以等效为电容C,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF,晶圆振动时摩擦造成的损耗等效为R,其值约为100。因为芯片的等效电感很大,而C很小,R也很小,所以环路的品质因数Q很大,可以达到1000 ~ 10000。另外,晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状和尺寸有关,可以精确制作,所以石英谐振器组成的振荡电路可以获得很高的频率稳定性。
4、共振频率
从石英晶体谐振器的等效电路来看,它有两个谐振频率,即:
(1)串联谐振发生在L、C、R支路时,其等效阻抗最小(等于R)。串联擦频用fs表示,应时晶体对串联擦频fs有纯电阻;
(2)当频率高于fs时,L、C、R支路为感性,可与电容C相比,发生并联谐振,其并联频率用fd表示。
根据应时晶体的等效电路,可以定性地绘制其电抗-频率特性曲线。可以看出,当频率低于串联谐振频率fs或高于并联阻尼频率fd时,应时晶体是电容性的。审计唐子红









