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石英晶振工作原理

石英晶体振荡器分非 温度补偿式 晶体振荡器温度补偿晶体振荡器( TCXO)、电压控制晶体振荡器VCXO)、恒温控制式晶体振荡器( OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器(DCXO/MCXO)等几种类型。其中,无温度补偿晶体振荡器是最简单的一种,在 日本工业标准( JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器(SPXO)。现以SPXO为例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。

石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的 压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器,它只有借 助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由 品质因数(Q)很高的 晶体谐振器(即晶体振子)与反馈式 振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件,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其切割取向。 石英晶体谐振器的基本结构、(金属壳)封装及其 等效电路如图1所示。

只要在晶体振子板极上施加 交变电压,就会使晶片产生机械 变形振动,此现象即所谓 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,就会发生 压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大。在图1(c)所示的 晶体谐振器的等效电路中,Co为晶片

(a)石英晶体振子的结构

(b)金属壳封装示图(c)等效电路

与金属板之间的静电电容;L、C为压电谐振的等效参量;R为振动磨擦损耗的 等效电阻。 石英晶体谐振器存在一个串联 谐振频率fos(1/2π),同时也存在一个 并联谐振频率fop(1/2π)。由于Co?C,fop与fos之间之差值很小,并且R?ωOL,R?1/ωOC,所以 谐振电路的 品质因数Q非常高(可达数百万),从而使石英晶体谐振器组成的振荡器 频率稳定度十分高,可达10-12/日。 石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处,也可工作在fop附近,因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其 等效电路,取代LC振荡器中构成 谐振回路的电感(L)和电容(C)元件,则很容易理解 晶体振荡器的工作原理。

SPXO的总精度(包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化)可以达到±25ppm。SPXO既无 温度补偿也无温度控制措施,其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在0~70℃范围内,SPXO的 频率稳定度通常为20~1000ppm,SPXO可以用作钟频振荡器。