石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶振,英文释义为quartz crystal unit 或 quartz crystal resonator,简写为Xtal。石英晶体谐振式是一种被动元件,它的原理是利用水晶的压电效应,产生高精度振荡频率的一种电子元件。剖析Xtal的结构,它主要由外壳、基座、石英晶片、银胶及银的成分构成,通?;岜恢瞥?/span>SMD贴片或者DIP插件两种封装形态。
晶体的工作原理
什么是晶体? 晶体指其中的原子、分子、或离子以规则、重复的模式超各方向延伸的一种固体。晶体与所有弹性物质一样,都具有自然共振频率。共振频率的频率点则取决于晶体的尺寸、形状、弹性、与物质内的音速。通常切成方形片状的晶体都会被用于高频,而低频用晶体一般被切成音叉形。
压电效应
石英晶体上的电极对一颗被适当切割并安置的石英晶体施以电场时,晶体会产生变形,这就是逆压电效应。当移除外加电场时,石英晶体会恢复原状并发出电场,继而电极上产生电压。晶体的这种电路中的表现类似与电感、电容、电阻组合而成的RLC电路。组合中的阻容谐振频率反映了石英晶体的实体共振频率。
石英晶体谐振器的共振特性取决于振动模式与石英的切割角度,比如常用的AT切割,它的振荡是厚度剪切振荡模式。石英晶体的优点在于温度变化时,影响震荡频率的弹性系数与尺寸变化轻微,因而在频率特性上表现稳定。在需要高精密度与稳定性的场合,石英晶体的温度会被监测,用以随时修正误差。
石英晶体谐振器的有两种共振模式,一种是由C1与L1构成的串联共振,另外一种是由C0、C1与L1构成的并联共振。在MHz级石英晶体中,串联共振频率一般会比并联共振频率低若干KHz。频率在30MHZ以下的石英晶体,通常工作时的频率处于串联共振频率与并联共振频率之间,此时晶体呈现电感性阻抗。这是因为,外接电路上的电容会把电路的振荡频率拉低。在设计石英晶体振荡电路中,应令电路上的杂散电容与外接电容合计值与晶体制造商的负载电容值相同,振荡频率才会准确符合厂商的规格。
对于频率在30MHZ to 200MH之间的石英晶体,一般使用串联共振模式。当在工作时,负性阻抗处于*低点。为了达到较高的振荡频率,石英晶体会振荡在它的一个谐波频率上,此谐波频率是基频的整数倍。因为偶数此谐波会使得晶体内电场相互抵消,只有奇数谐波可以利用,比如3次泛音,5次泛音,7次泛音等。为了达到要求的振荡频率,振荡电路上会加入额外的电容器与电感器,以选择出所需的频率。
如上所述,在电气网络中,石英晶体谐振器可以转换成RLC电路,这个等效电路有两个频率相近但特性不同的共振点,低阻抗的串联共振点与高阻抗的并联共振点。以下数学式是石英晶体谐振器等效电路网络阻抗公式: