石英晶體諧振器在電子領(lǐng)域的重要性源于其極高的Q值,相對(duì)較小的尺寸和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性.目前的石英晶振產(chǎn)品需具備更高的性能及穩(wěn)定性才能滿足市場上的需求給產(chǎn)品帶來的更多的功能.
石英晶體諧振器利用石英的壓電特性.直接壓電效應(yīng)是指施加機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致某些材料的極化.相反的效果指的是通過施加電場在相同材料中產(chǎn)生的變形.在石英晶體諧振器中,相對(duì)于晶體軸以適當(dāng)?shù)姆较蚯懈畹氖⒈∑胖迷趦蓚€(gè)電極之間.施加在這些電極上的交流電壓使壓電石英晶體產(chǎn)生共鳴振動(dòng).伴隨的極化變化構(gòu)成通過諧振器的電位移電流.
當(dāng)施加電壓的頻率接近石英片的機(jī)械諧振頻率之一時(shí),振動(dòng)的幅度變得非常大.伴隨的位移電流也增加,因此器件的有效阻抗在幅度上減小.隨著頻率在諧振附近變化,阻抗的快速變化是石英晶體諧振器在晶體振蕩器中用作頻率控制元件的關(guān)鍵因素.
在電學(xué)上,石英晶體可以由圖1的等效電路表示,其中串聯(lián)組合R1,L1和C1表示壓電效應(yīng)對(duì)阻抗的貢獻(xiàn),C0表示電極之間的分流電容以及任何雜散電容.電感L1是石英質(zhì)量的函數(shù),而電容C1與其硬度相關(guān)聯(lián).電阻R1由石英和安裝裝置中的損耗引起.等效電路的參數(shù)可以測(cè)量到大約1%的精度.等效電路的電抗-頻率圖如圖2所示.有許多有關(guān)晶體性能的公式;第一個(gè)是fs.這是晶體串聯(lián)諧振的頻率,由下式給出:

其中fs以赫茲表示,L1以亨利表示,C1以法拉表示.

圖1-晶體的等效電路

頻率穩(wěn)定度
晶振不穩(wěn)定有幾個(gè)原因.溫度變化和質(zhì)量的物理變化導(dǎo)致我們稱之為老化的長期漂移,這可能是我們最關(guān)心的.溫度變化的影響通過適當(dāng)選擇晶體切割和(對(duì)于精密公差要求)在晶體電路中包括溫度相關(guān)電抗,或者通過在小烤箱中保持恒定溫度來最小化.AT切割晶體現(xiàn)在使用最廣泛,因?yàn)樗鼈兊念l率家族除了最苛刻的應(yīng)用,溫度曲線很容易以低成本為所有應(yīng)用提供良好的性能.

圖2-無功與頻率

未補(bǔ)償AT切割晶體的公差可從-10°C至60°C降低至5PM,更寬的溫度范圍需要更大的公差,如圖3所示,顯示了一系列典型的AT切割頻率-溫度曲線.這些曲線可以用三次方程來表示,并且強(qiáng)烈依賴于石英貼片晶振坯料的切割角度.零溫度系數(shù)的點(diǎn)稱為上下轉(zhuǎn)折點(diǎn).通過選擇切割角度,可以在需要的地方放置一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn);另一個(gè)是固定的,因?yàn)閮烧叨缄P(guān)于20-30°C范圍內(nèi)的一點(diǎn)對(duì)稱.轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的斜率隨著它們一起移動(dòng)而變小.設(shè)計(jì)用于烤箱的晶體被切割,使得上轉(zhuǎn)折點(diǎn)與烤箱工作溫度一致.
圖4顯示了幾次低頻切割的頻率溫度曲線.J形切口使用頻率低于10kHz,而XY形切口可以使用頻率在3kHz至85kHz之間.NT切割可以在10kHz范圍內(nèi)使用.DT切割適用于100千赫至800千赫,CT切割適用于300千赫至900千赫.

圖4 -低頻控制

負(fù)載電容
晶體可以由制造商在fr校準(zhǔn),在fr,晶體看起來是電阻性的(或者fs,非常接近fr),或者與電容性負(fù)載諧振,當(dāng)然,在那里晶體必須看起來是電感性的.后一種情況稱為負(fù)載諧振,一般用符號(hào)F1表示;更具體地,符號(hào)f30將例如表示晶體與30pF電容負(fù)載諧振的頻率.

圖5-頻率/負(fù)載電容

晶體電抗曲線上需要校準(zhǔn)的點(diǎn)由電路配置決定.通常,有源晶振振蕩器中的非反相維持放大器需要在fr校準(zhǔn),反相放大器需要在某個(gè)"負(fù)載電容"CL值校準(zhǔn).后一種布置依賴于感應(yīng)晶體以及與之諧振的負(fù)載電容,以提供進(jìn)一步的180°相移.
這個(gè)規(guī)則最常見的例外是當(dāng)一個(gè)小電容器,例如一個(gè)變?nèi)荻O管,與同相放大器電路中的晶體串聯(lián)以提供一定程度的頻率調(diào)節(jié).在這種情況下,必須校準(zhǔn)晶體,使其與電容平均值共振.
可拉性

圖6-典型的晶體提拉靈敏度

對(duì)于給定的負(fù)載電容變化,貼片晶振的可拉性是其頻率變化的量度.這通常表示為串聯(lián)諧振頻率(fr)和負(fù)載諧振頻率(fL)之間的差值.這個(gè)偏移可以使用分?jǐn)?shù)負(fù)載諧振頻率偏移(DL)以百萬分之幾計(jì)算,對(duì)于給定值CL,實(shí)際頻率從fr變化到fL.

其中C1,C0和CL都用相同的單位表示.
圖5顯示了頻率變化對(duì)負(fù)載電容變化的影響的典型曲線.或者,通常將晶體的可拉性表示為負(fù)載電容每pF變化的微調(diào)靈敏度,單位為ppm.這由以下單位以ppm/pF表示:

其中C1,C0和CL以pF表示,并且在圖6中圖示了(C0+CL)的各種值.

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