Quartz Crystal的谐振电路

来源：金洛鑫浏览：- 发布日期：2019-03-18 10:33:17【大中小】

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大家都知道Quartz Crystal是一种频率控制元器件，是依赖频率振荡来工作的，其谐振电路的设计和布局，与频率有非常大的关联。晶振是这个行业的统称，根据种类可以分为两大类，一种是谐振器，一种是振荡器，二者的电路设置相似但并不一样，本文的主旨是探讨石英晶振的谐振电路和电路中的Q值。

石英晶体谐振器在由分立的Rs，Cs和Ls构成的谐振电路上的众多优点中，有一些优点是晶体更硬，并且具有远高于普通分立元件所能构建的Q.例如，MHZ基本模式AT切割晶体可能具有Ci=0.01pF，Lr=0.1H，RI=5R和Q=106.O.Ol-pF电容器不可用，因为连接到这种电容器的引线将是单独可能贡献超过0.01pF。类似地，0.1-H电感器在物理上很大，需要包括大量匝数，并且需要超导以具有~5Sz的电阻。

石英和石英晶体单元：

石英晶体单元的高Q值和高刚度（小C）使其成为石英晶体振荡器中的主要频率和频率稳定性元素。晶体单元的Q值远高于其他电路元件的Q值。在通用晶体单元中，Q通常在lo4至106的范围内。高稳定性?-MHZ晶体单元的Q通常在2至3百万的范围内。由晶体中的内部损耗限制的固有Q已经通过实验确定为与频率成反比（即，对于给定的谐振器类型，Qf乘积是常数）。对于AT和SC切割谐振器，当ff以MHz为单位时，最大Qf=1600万。

石英（这是一种单晶形式的SiO*）一直是稳定石英晶体的首选材料，因为压电晶体在1918年被用于振荡器之后不久。虽然已经探索了许多其他材料，但没有找到比石英更好。Quartz是唯一已知具有以下属性组合的材料：

1.它是压电的（“压力电”;piezein在希腊语中意为“按压”）。

2.当相对于石英的晶轴沿着适当的方向切割板时，可以制造零温度系数谐振器。

3.在零温度系数切割中，SC切割（见下文）中的一个是“应力补偿”，它具有低的固有损耗（即，石英谐振器可以具有高Q值）。

4.它易于加工，因为它很硬但不脆，并且在正常条件下，除氟化物蚀刻剂外，它在所有物质中的溶解度都很低。

稳定性与可调性：

在大多数晶体振荡器类型中，使用可变负载电容器将振荡频率调整到所需值。这种振荡器的并联谐振区域工作，其中电抗与频率的斜率（即“刚度”）与C1成反比。为了最大化振荡器电路中的电抗（或相位）扰动的频率稳定性，电抗斜率（或相位斜率）必须最大。这要求Cr最小。然而，C1越小，调谐振荡器越困难（即，对于给定的CL变化，Δf'越小）。最高稳定性的振荡器使用具有小C1（和高Q）的晶体单元。由于C1随着泛音数迅速减少，因此高稳定性振荡器通常使用三次或五次泛音晶体单元。高于五分之一的泛音很少使用，因为RI也随着泛音数迅速增加，并且通常需要一些可调性以允许将振荡器设置为所需频率。

宽调谐范围VCXO压控晶振使用大型Cl的基模晶体单元。电压控制用于以下目的：频率或锁相两个振荡器;用于频率调制;补偿，如TCXO（见下文）;并用于校准（即，用于调节频率以补偿老化）。高稳定性，经过烤箱化的低频VCXO可能具有f5x1O-7的频率调节范围和2xlo-*的老化速率，而宽调谐范围lo-MHz VCXO可能具有以下调谐范围：每分钟f50（百万分之一）和每年2ppm的老化速率。通常，在宽频率范围内调谐振荡器会降低其稳定性，因为使振荡器容易受到故意调谐也会使其容易受到导致无意识的因素的影响。例如，如果一个恒温晶体振荡器（OCXO）被设计成在特定的平均时间内具有1xlo-l2的稳定性并且可调谐性为1x10e7，那么晶体的负载电抗必须稳定在1x10P5用于平均时间。实现这样的负载电抗稳定性是困难的，因为负载电抗受杂散电容和电感，变容二极管的电容与电压特性的稳定性以及变容二极管上的电压的稳定性的影响。此外，1xlop5负载电抗稳定性不仅必须在良性条件下保持，还要在变化的环境条件（温度，振动，辐射等）下保持。因此，振荡器的调谐范围越宽，越难它是为了保持高稳定性。

谐振电路的设计关乎晶振和稳定性，寿命，性能和可靠性，普通的石英晶体电路简单明了，高要求的SMD石英晶体振荡器相对可能会复杂一些，目前业内常用的电路中，皮尔斯振荡器的应用次数是比较多的，还有门振荡器。因为这两种振荡器电路比较简单，而且操作方便，适用于大范围的生产。

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