晶振是怎么制成的？晶振應用及影響晶振頻率相關參數

什么是晶振？晶振是怎么制成的？晶振的內部結構，晶振的工作應用以及影響晶振頻率相關的參數。

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的電子振蕩器電路，即當電場施加在某些材料上時，它會產生機械變形。因此，它利用壓電材料的振動晶體的機械共振來產生具有非常精確頻率的電信號。 ????晶體振蕩器具有高穩定性、品質因數、小尺寸和低成本，這使得它們優于其他諧振器，如 LC 電路、陶瓷諧振器、轉叉等。 ????電路符號：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，晶振的圖形符號如圖所示。

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，當受到電壓電位的影響時，它將開始以其“基本頻率”振動和振蕩，這是一種相互關系：電路支持機械共振，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。

晶振內部是怎么樣的？

如下圖所示，整個晶體被金屬外殼覆蓋。

拆下這個金屬外殼后，我們可以看到一個像毯子一樣的網，以保護晶體免受機械損壞。

在下圖中，我們可以看到外部金屬外殼內的網狀外殼和晶振放置在其中。

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。

晶振的工作原理

石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產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：若在石英晶體的兩個電極上加上一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。

如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。 ????在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。 ????當晶體不振動時，可把它看成一個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，一般約幾個皮法到幾十皮法。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。

晶振的等效電路

在晶體振蕩器中，晶體被適當地切割并安裝在兩個金屬板之間，如圖下圖左邊圖所示。其電氣等效如下圖右邊圖所示。 ????實際上，晶體的行為就像一個串聯 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。

晶振的等效電路，如上圖所示。 ????石英晶體的等效電路顯示了一個串聯RLC電路，它表示晶體的機械振動，與一個電容Cp并聯，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“串聯諧振”運行。

晶振阻抗頻率

晶體的等效阻抗具有串聯諧振，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。除了這個串聯頻率之外，當Ls和Cs與并聯電容器Cp諧振時產生并聯諧振，如下圖所示，還建立了第二個頻率點。

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，串聯電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用產生了一個串聯諧振電路，將晶體阻抗降至最低并等于Rs，這個頻率點稱為晶體串聯諧振頻率?s，低于?s晶體是電容性的。 ????隨著頻率增加到該串聯諧振點以上，晶體的行為就像一個電感，直到頻率達到其并聯諧振頻率?p。 ????在這個頻率點，串聯電感Ls和并聯電容器Cp之間的相互作用產生了一個并聯調諧的 LC 諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達到了最大值。 ????因此，根據電路特性，石英晶體可以用作電容、電感、串聯諧振電路或并聯諧振電路，為了更清楚地說明這一點，我們可以·看下圖晶體電抗與頻率的關系。

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處的串聯電抗與Cs成反比，因為低于?s和高于?p晶體呈現電容性。 ????在頻率?s和?p之間，由于兩個并聯電容抵消，晶體呈現電感性。

串聯諧振頻率 ????根據下圖的等效電路圖可以得出串聯諧振頻率：

串聯諧振頻率公式: ? 并聯諧振頻率 ????當串聯 LC 支路的電抗等于并聯電容器的電抗Cp時，會出現并聯諧振頻率?p ，并給出如下：

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測量為28.68pF，計算晶體的基本振蕩頻率及其次級諧振頻率。 ????晶振串聯諧振頻率，? S：

晶振的并聯諧振頻率，? P：

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，在這個頻率范圍內，晶體的 Q 因子（品質因數）非常高，因為晶體的電感遠高于其電容或電阻值。 ????晶體振蕩器 Q 因子： ????晶振在串聯諧振頻率下的 Q 因子為：

晶體示例的 Q 因子約為 25,000，是因為這種高X L / R比率。 ????大多數晶體的 Q 因子在 20,000 到 200,000 之間，良好的 LC 調諧槽路電路將遠小于 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定性，使其成為構建晶體振蕩器電路的理想選擇。 ????已經看到石英晶體的諧振頻率與電調諧 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 到遠高于 100MHz，具體取決于它們的電路配置和使用的放大設備。晶體的切割也決定了它的行為方式，因為一些晶體會以一種以上的頻率振動，從而產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，它可能具有兩個或多個諧振頻率，都具有產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

工作點變化

我們之前已經了解過晶體管，并且知道了工作點的重要性，對于晶振來說，這個工作點的穩定性需要更高的考慮。 ????使用的有源器件的操作被調整到其特性的線性部分，該點由于溫度變化而移動，因此穩定性受到影響。

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。它們的所有參數都取決于溫度，由于溫度的變化，它們的值會受到影響，這就會影響到振動電路頻率的變化。

電源影響

供電功率的變化會影響頻率，電源變化導致V cc變化，從而影響所產生的振蕩頻率。 ????為了避免這種情況的發生，實施了穩壓電源系統，簡稱為 RPS。

輸出負載變化

輸出電阻或輸出負載的變化會影響振蕩器的頻率。當連接負載時，儲能電路的有效電阻會發生變化。 ????LC調諧電路的Q因數發生了變化，這就會導致振蕩器的輸出頻率發生變化。

元件間電容的變化

元件間電容是在二極管和晶體管等 PN 結材料中產生的電容，這些是由于它們在操作過程中存在的電荷而產生的。 ????由于溫度、電壓等各種原因，元件間電容會發生變化。不過這個問題可以通過跨過有問題的元件間電容連接電容來解決。

Q值