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石英晶体谐振器(简称晶振)的结构及原理

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石英晶体谐振器(简称晶振)的结构及原理

(1)石英晶体谐振器(简称晶振)的结构

石英晶体谐振器是利用石英晶体(二氧化矽的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。
(2)压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
(3)符号和等效电路

石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时,机械振动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C來等效,C的值很小,一般只有0.0002~0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R來等效,它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因數Q很大,可达1000~10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性。
(4)谐振频率

从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即
a、当L、C、R支路发生串联谐振时,它的等效阻抗最小(等于R)。串联谐振频率用fs表示,石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯阻性。
b、当频率高于fs时L、C、R支路呈感性,可与电容C发生并联谐振,其并联频率用fd表示。
根据石英晶体的等效电路,可定性画出它的频率特性曲线图所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联谐振频率fd时,石英晶体呈电容性。仅在fsffd极窄的范围内,石英晶体呈电感性。

 

石英晶体谐振器(简称晶振)的结构及原理

  晶体符号              等效电路            频率特性曲线图


 
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                           石英晶体谐振器外形图片

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