（石英晶振）一種神秘的壓電效應
來源：http://www.gsepg.com 作者：kangbidz 2012年06月09
從古到今人類是最聰明物種，早在1880年人類發現了一種名為“水晶”的石英晶體，而且此石英晶體還具壓電效應，在不斷的探索與研究之后，人們把這種“水晶”制作成了石英晶振頻率元件，也叫做石英晶體振蕩器。從此石英晶振這個名詞走向了電子行業的舞臺。在今天的電子產品中這顆小東西是必不可少的，它廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。下面我們來分析一下它的特點與原理。
一、石英晶體振蕩器類型特點
石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通石英振蕩器（SPXO），壓控振蕩器（VCXO），溫補晶振（TCXO），恒溫振蕩器（OCXO）。目前發展中的還有數字補償式晶體振蕩器（DCXO）等。
普通石英振蕩器（SPXO）可產生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
壓控振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫補振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從3.2mm×2.5mm至5mm×7mm。通常用于手持電話、汽車電子、蜂窩電話、無線通信設備等。
恒溫振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振蕩器中最高。
二、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英振蕩器的結構
石英振蕩器是利用石英晶體諧振器（二氧化硅的結晶體）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（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），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。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。
2、壓電效應
若在石英晶振的兩個電極上加一電場，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。
3、符號和等效電路
石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當L、C、R支路發生串聯諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性，（2）當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發生并聯諧振，其并聯頻率用fd表示。
一、石英晶體振蕩器類型特點
石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通石英振蕩器（SPXO），壓控振蕩器（VCXO），溫補晶振（TCXO），恒溫振蕩器（OCXO）。目前發展中的還有數字補償式晶體振蕩器（DCXO）等。
普通石英振蕩器（SPXO）可產生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
壓控振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩定度是±50ppm。通常用于鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫補振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從3.2mm×2.5mm至5mm×7mm。通常用于手持電話、汽車電子、蜂窩電話、無線通信設備等。
恒溫振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振蕩器中最高。
二、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英振蕩器的結構
石英振蕩器是利用石英晶體諧振器（二氧化硅的結晶體）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（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），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。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。
2、壓電效應
若在石英晶振的兩個電極上加一電場，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。
3、符號和等效電路
石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩定度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當L、C、R支路發生串聯諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性，（2）當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發生并聯諧振，其并聯頻率用fd表示。
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