無源晶體與有源晶振的區(qū)別及用法

石英晶振是一種高精度、高穩(wěn)定度的振蕩器，是利用石英晶體的壓電效應而制成的諧振組件，以取代LC 選頻電路，常用應用于各類電子產(chǎn)品的振蕩電路中，如通信系統(tǒng)中的頻率發(fā)生器等。作用：為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號，提供系統(tǒng)振蕩脈沖，穩(wěn)定頻率，選擇頻率。下面將對石英晶振的基本特性、穩(wěn)頻條件、及電路設(shè)計方面做簡單介紹。

2022-02-23 09:55:49

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一、水晶材料基本特性
石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體) 的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，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(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。
石英晶體在壓力作用下產(chǎn)生形變，同時產(chǎn)生電極化。其極化強度與壓力成正比，這種現(xiàn)象就稱"正壓電效應".反之，在電場作用下，晶體產(chǎn)生形變，其形變大小與電場強度成正比，這種現(xiàn)象稱"逆壓電效應".
在二十多類具有壓電效應的晶體中，石英晶體是無線通訊設(shè)備中為滿意的材料之一。它的機械強度高，物理化學性能穩(wěn)定，內(nèi)損耗低等，用它制成的器件被常用用在頻率控制和頻率選擇電路中。石英片的取向不同，其壓電特性、彈性特性和強度特性就不同，用它來制造的諧振器的性能也不一樣，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了幾十種有用的切割方式。
二、石英諧振器的穩(wěn)頻條件
石英晶振的頻率穩(wěn)定度與以下方面有關(guān)：負載電容、激勵電平
1 、負載電容。石英諧振器一般作為電感組件在振蕩電路中起穩(wěn)頻作用，而電路的其它組件均可等效為一個負載電容與石英諧振器的等效參數(shù)及頻率穩(wěn)定度帶來影響
從石英晶振元件兩腳向振蕩電路方向看進去的所有有效電容，就是該振蕩電路加給石英晶振的負載電容。負載電容同石英晶振共同決定電路的工作頻率。
通過調(diào)整負載電容，就可以將振蕩電路的工作頻率調(diào)整到標稱值。負載電容選用要合理，電容太大時，雜散電容影響減小，但微調(diào)率下降; 容值太小時，微調(diào)率增加，但雜散電容影響增加、負載諧振電阻增加，甚至起振困難。
2 、激勵電平。一般取70 -100uA 為佳，用激勵功率表示時，一般取1 -100uW 為佳。激勵電平的大小直接影響石英諧振器的性能，所以電路設(shè)計者一定要嚴格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵電平下工作，以便充分發(fā)揮石英諧振器的特點。一般來講，激勵電平偏小對于長穩(wěn)有利，激勵電平稍大對于短穩(wěn)有利。但是激勵電平太大，石英片振動強，振動區(qū)域溫度升高，石英片內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，會使頻率穩(wěn)定度降低;激勵電平過大，由于機械形變超過彈性限度而引起性的晶格位移，使頻率產(chǎn)生性的變化，甚至有時會把石英片振壞;激勵電平過大，會使等效電阻增加，Q 值下降，電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規(guī)則;激勵電平過大，容易激起寄生振動，同時還會使老化變大。當然，激勵電平過低也會使信噪比變小而影響短期穩(wěn)定度，激勵電平太低，諧振器不易起振，影響工作的穩(wěn)定和可靠性。所以諧振器使用應根據(jù)不同的要求嚴格控制激勵電平，更不能為了增大輸出而隨意提高激勵電平。
三、石英振蕩電路的組成與設(shè)計
石英振蕩電路的形式很多，但基本電路只有兩類：
并聯(lián)晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器。前者石英晶體是以并聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，而后者則是以串聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)。石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器XTAL 、電阻、PCB 等組成，下面對各組成部分做簡單說明：
1、IC:可根據(jù)實用的需要任意選用，如CMOS 反向器IC;用振蕩IC;大規(guī)模的數(shù)字IC 中自備石英振蕩門。
2 、負載特性：振蕩電路(除去CRYSTAL) ,具有一個負阻特性(用網(wǎng)絡(luò)頻譜分析儀) ,振蕩電路負阻值() 必須大于3 倍的CRTSTAL 電阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振蕩電路才可以穩(wěn)定的振蕩。
3 、電容：可根據(jù)用戶的需要選用片式或傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，但是應注意選擇適用于高頻的、低損耗的，選用NP0 系列的溫度系數(shù)產(chǎn)品。
4、電阻：在選擇尺寸的同時需注意功耗的滿足。
5 、PCB :注意能滿足高頻的使用場合和注意盡量降低線路的分布參數(shù)，大面積接地和一點式接地方案的采納。有必要的時候應注意EMI 的防護。

6 、石英諧振器XTAL :頻率大于1MHz 的諧振器應選用ATMODE ,可根據(jù)用戶的需要選擇合適的外形尺寸和封裝的晶體。

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