是時候來真正了解石英晶體諧振器了
來源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年06月01
許多業(yè)界人士認為石英晶體諧振器的發(fā)展與無線電密不可分，因為無線電依賴晶體的頻率振蕩功能工作，而晶體諧振器也因無線電而受到廣泛的關(guān)注和重視。人類使用無線電和晶振都有一百多年的時間了，期間絕大多數(shù)的人對石英晶體諧振器仍沒有熟悉，反復(fù)的講還是有許多人不懂。隨著科技的發(fā)展，石英晶體越來越重要，因此是時候讓更多的人，尤其是企業(yè)或工廠的采購和工程，來真正的了解石英晶體諧振器了。
準(zhǔn)確的時間是我們認為理所當(dāng)然的大部分技術(shù)的最基本要求之一，但我們有多少人停下來考慮使我們擁有它的組件？當(dāng)我們的微處理器和其他數(shù)字電路需要經(jīng)濟實惠，已知且穩(wěn)定的時鐘頻率時，石英晶體是我們的首選標(biāo)準(zhǔn)。也許是時候我們仔細看看它了。
無線電頻率的第一個電子振蕩器依賴于具有電感器和電容器的調(diào)諧電路的電氣特性，以保持它們的頻率。調(diào)諧電路便宜且易于生產(chǎn)，但其頻率穩(wěn)定性受外部因素（如溫度和振動）的影響很大。因此，使用調(diào)諧電路的RF振蕩器可以在其操作期間漂移許多32.768K，并且不能依賴其定時。早在計算機需要精確計時之前，20世紀(jì)20年代和30年代的無線電發(fā)射機需要保持頻率，并且必須保持相當(dāng)大的努力以使調(diào)諧電路發(fā)射機保持在目標(biāo)上。
良好的振動：
調(diào)諧電路頻率穩(wěn)定性問題的解決方案是使用石英晶體，這是一種諧振元件，其物理特性比電感器或電容器對外部因素（如溫度）的影響要小得多。石英晶體是壓電的，也就是說，當(dāng)你使它們變形時，它們會產(chǎn)生電荷，當(dāng)向它們施加電荷時，它們又會變形。因此，您可以在精心切割的石英晶體中電氣設(shè)置物理振動。正如調(diào)諧叉，鑼和其他彈性固體可以顯示物理共振一樣，晶體可以用作電諧振器。
石英晶體的電等效模型是與電容器并聯(lián)的串聯(lián)調(diào)諧電路，具有并聯(lián)和串聯(lián)調(diào)諧電路的一些特性。它與由傳統(tǒng)元件制成的調(diào)諧電路的不同之處在于具有極高的Q因子或窄帶寬。它可以以與調(diào)諧電路相同的方式結(jié)合在OSCillator的反饋電路中，然后振蕩器將以其諧振頻率快速運行。
皮爾斯振蕩器的泛音版本，帶有額外的調(diào)諧電路。飛兆半導(dǎo)體應(yīng)用筆記340，HCMOS晶體振蕩器。
石英晶體的共振頻率與其尺寸成比例。隨著晶體變薄，頻率增加。最終隨著頻率的增加，在沒有晶體破裂的情況下，材料的厚度不能進一步減小，因此存在不能制造晶體的上限頻率。它取決于所采用的技術(shù)，但通常在20MHz以上。當(dāng)然，你會指出石英水晶振子可以在這個頻率上多次使用，那么它是什么？答案是高于該數(shù)字的晶體頻率是通過諧波泛音實現(xiàn)的。低于20MHz的頻率僅僅是基本諧振，其他諧振可以在基頻的倍數(shù)處在同一晶體中實現(xiàn)。通過系繩中的駐波，或者如圖所示的封閉管的聲學(xué)特性，可以容易地證明這種效果。
在實踐中，設(shè)計用于泛音的晶體將在其基頻的奇數(shù)倍處具有共振。因此，例如具有10MHz基頻的泛音晶振也將在30MHz和50MHz處具有泛音諧振。在上面顯示的皮爾斯電路中放置一個泛音晶體不會導(dǎo)致它以泛音頻率振蕩，而是會在其基頻上運行。泛音振蕩器必須包含一個額外的調(diào)諧電路，用于抑制基頻，留下最突出的諧波諧振來決定振蕩頻率。在我們的CMOS邏輯應(yīng)用筆記示例中，逆變器輸出網(wǎng)絡(luò)中的電感執(zhí)行此任務(wù)。
準(zhǔn)確的時間是我們認為理所當(dāng)然的大部分技術(shù)的最基本要求之一，但我們有多少人停下來考慮使我們擁有它的組件？當(dāng)我們的微處理器和其他數(shù)字電路需要經(jīng)濟實惠，已知且穩(wěn)定的時鐘頻率時，石英晶體是我們的首選標(biāo)準(zhǔn)。也許是時候我們仔細看看它了。
無線電頻率的第一個電子振蕩器依賴于具有電感器和電容器的調(diào)諧電路的電氣特性，以保持它們的頻率。調(diào)諧電路便宜且易于生產(chǎn)，但其頻率穩(wěn)定性受外部因素（如溫度和振動）的影響很大。因此，使用調(diào)諧電路的RF振蕩器可以在其操作期間漂移許多32.768K，并且不能依賴其定時。早在計算機需要精確計時之前，20世紀(jì)20年代和30年代的無線電發(fā)射機需要保持頻率，并且必須保持相當(dāng)大的努力以使調(diào)諧電路發(fā)射機保持在目標(biāo)上。
調(diào)諧電路頻率穩(wěn)定性問題的解決方案是使用石英晶體，這是一種諧振元件，其物理特性比電感器或電容器對外部因素（如溫度）的影響要小得多。石英晶體是壓電的，也就是說，當(dāng)你使它們變形時，它們會產(chǎn)生電荷，當(dāng)向它們施加電荷時，它們又會變形。因此，您可以在精心切割的石英晶體中電氣設(shè)置物理振動。正如調(diào)諧叉，鑼和其他彈性固體可以顯示物理共振一樣，晶體可以用作電諧振器。
石英晶體的電等效模型是與電容器并聯(lián)的串聯(lián)調(diào)諧電路，具有并聯(lián)和串聯(lián)調(diào)諧電路的一些特性。它與由傳統(tǒng)元件制成的調(diào)諧電路的不同之處在于具有極高的Q因子或窄帶寬。它可以以與調(diào)諧電路相同的方式結(jié)合在OSCillator的反饋電路中，然后振蕩器將以其諧振頻率快速運行。
石英晶體的等效電路
除振蕩器外還有另一種功能，您可能會遇到晶體。在無線電電路中，它們極窄的帶寬意味著它們可以菊花鏈?zhǔn)竭B接，以制作極具選擇性的濾波器。產(chǎn)生單邊帶傳輸?shù)囊环N方法是利用足夠窄的聲表面濾波器從雙邊帶抑制載波AM信號中提取一個邊帶。當(dāng)你需要一個水晶控制的時鐘時，你可能會找到一個現(xiàn)成的晶體振蕩器模塊，永遠不需要創(chuàng)建自己的晶體振蕩器模塊。當(dāng)您需要更高頻率的時鐘時，您將使用具有鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器芯片，因此您永遠不需要制作泛音振蕩器。但是，對于任何常用組件而言，在基礎(chǔ)知識方面具有基礎(chǔ)并沒有任何害處，晶體也不例外。
石英晶體的共振頻率與其尺寸成比例。隨著晶體變薄，頻率增加。最終隨著頻率的增加，在沒有晶體破裂的情況下，材料的厚度不能進一步減小，因此存在不能制造晶體的上限頻率。它取決于所采用的技術(shù)，但通常在20MHz以上。當(dāng)然，你會指出石英水晶振子可以在這個頻率上多次使用，那么它是什么？答案是高于該數(shù)字的晶體頻率是通過諧波泛音實現(xiàn)的。低于20MHz的頻率僅僅是基本諧振，其他諧振可以在基頻的倍數(shù)處在同一晶體中實現(xiàn)。通過系繩中的駐波，或者如圖所示的封閉管的聲學(xué)特性，可以容易地證明這種效果。
在實踐中，設(shè)計用于泛音的晶體將在其基頻的奇數(shù)倍處具有共振。因此，例如具有10MHz基頻的泛音晶振也將在30MHz和50MHz處具有泛音諧振。在上面顯示的皮爾斯電路中放置一個泛音晶體不會導(dǎo)致它以泛音頻率振蕩，而是會在其基頻上運行。泛音振蕩器必須包含一個額外的調(diào)諧電路，用于抑制基頻，留下最突出的諧波諧振來決定振蕩頻率。在我們的CMOS邏輯應(yīng)用筆記示例中，逆變器輸出網(wǎng)絡(luò)中的電感執(zhí)行此任務(wù)。
在封閉管道中演示聲波中的諧波泛音
實用的晶體采用精密研磨的圓盤或合成石英晶片的形式，兩側(cè)都有化學(xué)沉積的金屬電極。它們安裝在密封的包裝中以確保其穩(wěn)定性。有許多石英晶體振蕩器配置，但如果使用數(shù)字電路，最可能遇到的電路是Pierce振蕩器。您會發(fā)現(xiàn)它是使用離散邏輯門以及眾多微處理器和其他IC實現(xiàn)的。晶體配置有一對電容器和一個高值偏置電阻器，作為從反相器輸出到輸入的相移網(wǎng)絡(luò)。其中一個電容器有時可以并聯(lián)一個小的可變電容器，允許進行非常小的頻率調(diào)整以校正各個晶體的容差。在晶體的共振頻率下，晶體上需要180度的相移以維持振蕩。
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