石英諧振器工作原理分析

石英晶體

石英晶體在電路中用作時(shí)間或者頻率基準(zhǔn)源，堪稱(chēng)設(shè)備的心臟。石英晶體諧振器又叫做無(wú)源晶振或諧振器，英文為Crystal Resonator.

1880年，居里兄弟Jacques和Pierre Curie發(fā)現(xiàn)了石英晶體受到壓力時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量和外機(jī)械力成正比的關(guān)系。這種現(xiàn)象為壓電效應(yīng)Piezoelectricity。具有壓電效應(yīng)的物體稱(chēng)為壓電體。

如果對(duì)石英晶片施加壓力，晶片上會(huì)產(chǎn)生電荷；反之，對(duì)晶片兩端的電極施加電壓時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。

示意圖

晶片的頻率取決于晶片的切割，尺寸等因素。晶片的Q值越高，頻率越穩(wěn)定。由于無(wú)源晶振內(nèi)部沒(méi)有IC，需要外部電路配合使用，所以無(wú)源晶振的穩(wěn)定度很大程度取決于用戶(hù)對(duì)外部電路的匹配。

等效電路

石英晶體的壓電諧振現(xiàn)象可以用等效電路來(lái)模擬。等效電路包括靜態(tài)電容C0，動(dòng)態(tài)電容C1，諧振電阻R1，以及動(dòng)態(tài)電感L1。

振蕩電路

無(wú)源晶體本身不能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，需要加外部振蕩電路，分為串聯(lián)型振蕩電路和并聯(lián)型振蕩電路兩種。

串聯(lián)晶體振蕩器是一種反饋性振蕩器，由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。石英諧振器和負(fù)載電容串聯(lián)。諧振器為純阻性。

并聯(lián)晶體振蕩器中，石英諧振器接在反饋支路中，工作在串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率之間，諧振器為感性。在電路中作為電感元件使用。電路匹配電容C1， C2加上電路的雜散電容Cstray，越接近晶體的負(fù)載電容，晶體輸出的頻率則越精準(zhǔn)。