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  • 石英晶振内部结构电路说明分析
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  石英晶体振荡器可分为非温补晶体振荡器、温补晶体振荡器(TCXO)、压控晶体振荡器(VCXO)、恒温晶体振荡器(OCXO)和数字/微补偿晶体振荡器(DCXO/MCXO)。其中,温补晶体振荡器是最简单的。它在日本工业标准(JIS)中被称为标准封装晶体振荡器(SPXO)。简要介绍了石英晶体振荡器的结构和工作原理。

 

  石英晶体是一种重要的压电晶体材料,无论是天然的还是人工的。石英晶体本身不是振荡器。它只能通过主动激励和被动电抗网络来振荡。SPXO主要由高质量因数的晶体谐振器(晶体振荡器)和反馈振荡电路组成。石英晶体振荡器是振荡器的重要组成部分。晶体的频率(基频或n次谐波频率)及其温度特性在很大程度上取决于晶体的切割方向。石英晶体谐振器的基本结构、封装及等效电路。

 

  只要在晶体振子极板上施加交流电压,晶片就会产生机械变形和振动,称为逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,会发生压电谐振,导致机械变形幅度的突然增大。

 

  一、晶体材料的基本性能

 

  石英晶体振荡器是由石英晶体(晶体二氧化硅)的压电效应构成的一种谐振器件。它的基本结构是:根据一定的方位角,将一块石英晶体切成薄片,在其两个对应的表面上涂上银层作为电极,将每个电极上的引线焊接到销上,并将外壳封装起来。石英晶体谐振器,石英晶体或晶体的简称,晶体振荡器。它的产品通常被封装在金属外壳中,也被玻璃、陶瓷或塑料封装。

 

  石英晶体在压力下变形,同时产生电极。极化强度与压力成正比,称为“正压电效应”。相反,在电场作用下,晶体发生变形,其变形与电场强度成正比。这种现象被称为“逆压电效应”。

 

  石英晶体压电效用图:

(a)压电效应

(b)正压电效应

(c)逆压电效应

 

  在二十多种压电晶体中,石英晶体是无线通信设备中最令人满意的材料之一。具有机械强度高、理化性能稳定、内损耗低等特点。它所构成的器件广泛应用于频率控制和选频电路中。石英晶片的压电特性、弹性特性和强度特性随取向的不同而不同。石英晶圆谐振器具有不同的性能,已经找到了许多有用的切割方法。

 

  二、石英谐振器的稳频条件

 

  石英晶振的频率稳定度与以下三方面有关:负载电容、激励电平和频率温度特性。

 

  1 、负载电容。石英谐振器一般作为电感组件在振荡电路中起稳频作用,而电路的其它组件均可等效为一个负载电容与石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。

 

  从石英晶振元件两脚向振荡电路方向看进去的所有有效电容,就是该振荡电路加给石英晶振的负载电容。负载电容同石英晶振共同决定电路的工作频率。通过调整负载电容,就可以将振荡电路的工作频率调整到标称值。

 

负载电容选用要合理,电容太大时,杂散电容影响减小,但微调率下降; 容值太小时,微调率增加,但杂散电容影响增加、负载谐振电阻增加, 甚至起振困难。

 

  2 、激励电平。一般取70 -100uA 为佳,用激励功率表示时,一般取1 -100uW 为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能,所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作,以便充分发挥石英谐振器的特点。

 

一般来讲,激励电平偏小对于长稳有利,激励电平稍大对于短稳有利。但是激励电平太大,石英片振动强,振动区域温度升高,石英片内产生温度梯度,会使频率稳定度降低;激励电平过大,由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏;激励电平过大,会使等效电阻增加,Q 值下降,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则;激励电平过大,容易激起寄生振动,同时还会使老化变大。

 

当然,激励电平过低也会使信噪比变小而影响短期稳定度,激励电平太低,谐振器不易起振,影响工作的稳定和可靠性。所以谐振器使用应根据不同的要求严格控制激励电平,更不能为了增大输出而随意提高激励电平。

 

  3 、频率温度特性。

 

  三、石英振荡电路的组成与设计

  石英振荡电路的形式很多,但基本电路只有两类:并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。前者石英晶体是以并联谐振的形式出现,而后者则是以串联谐振的形式出现。石英振荡电路主要由IC、石英谐振器XTAL 、电阻、PCB 等组成,下面对各组成部分做简单说明:(详情可以查看YXC扬兴官网《晶振内部结构》)

 

  1、IC:可根据实用的需要任意选用,如CMOS 反向器IC;专用振荡IC;大规模的数字IC 中自备石英振荡门。

 

  2 、负载特性:振荡电路(除去CRYSTAL) ,具有一个负阻特性(用网络频谱分析仪) ,振荡电路负阻值(绝对值) 必须大于3 倍的CRTSTAL 电阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振荡电路才可以稳定的振荡。

 

  3 、电容:可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品,但是应注意选择适用于高频的、低损耗的,选用NP0 系列的温度系数产品。

 

  电阻:在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。

 

  4 、PCB :注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数,大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意EMI 的防护。

 

  5 、石英谐振器XTAL :频率大于1MHz 的谐振器应选用ATMODE ,可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体。主要电性指标: FL 、ESR 的CLOCK需要选用FL 及公差,并按Cg/ Cd 值,计算而得CL =(Cs :线路分布杂散电容)

 

  6 、ESR :单位Ω,工作温度范围的频率公差。

 

  正确的选取Cg/ Cd 的值将有利于振荡电路的工作稳定,并能使振荡频率满足使用的CL K 要求。其选取的步骤如下:

 

  (1) 首先应该按照- R 的需要选择Cg/ Cd ,在满足TS 的情况下应尽量小些,保持较高的- R 以保证振荡的稳定性。当无法满足- R 要求时应考虑对IC 的特性重新评价、选择。

 

  (2) Rf 值选取:取用的XTAL 为基本波的时候,Rf选用1MΩ;3RD 模式的XTAL 时须考虑截止频率必须界于基频与3RD 的中间以保证3RD 工作正常为原则,通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 间。

 

  (3) 为了避免对XTAL 的过激励而影响电路的正常工作,建议采用Rr 以控制XTAL 的激励功率;其数值视频率高低可在33 - 68Ω间选取。

 

  (4) 对于有EMI 要求的振荡电路设计中必须选取SEAM 焊封4PAD 的晶体谐振器,同时赋予合理接地方式,可满足EMI 防护的需求。

 

  四是发展趋势

  石英产品也像其他电子设备一样朝着轻薄的方向发展。自1990年以来,石英产品一直在向SMD发展。自1998年以来,它们一直在向小型SMD发展。因此,薄与光之间的竞争已经升温。随着CPU速度的增加,石英谐振器和石英振荡器的高频率也在加速。石英晶体压电效应的发展进入了重要频率控制元件的新时代。



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