石英晶體基本特性與等效電路

1、石英晶體的基本特性與等效電路頻率穩(wěn)定度是衡量振蕩電路的質(zhì)量指標(biāo)之一，一般用來表示，其中f0為振蕩頻率，Df為頻率偏移。頻率穩(wěn)定度有時(shí)還附加時(shí)間條 件，如一小時(shí)或一日內(nèi)的頻率相對變化量。前面介紹的RC振蕩電路的頻率穩(wěn)定度大于10-3,普通LC振蕩電路也只能達(dá)到10-4。石英 晶體振蕩電路的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 10-9甚至10-11，這是由于采用 了具有極高Q值的石英晶體元件。圖1石英晶體結(jié)構(gòu)1. 結(jié)構(gòu)石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，它是硅石的一種，其化學(xué)成分是二氧化硅（SiO2）。從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片（可以是正方形、矩形或圓形等），然后在晶片的兩個(gè)對應(yīng)表面上 涂敷銀層并裝上一

2、對金屬板，就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品，如圖1所示，一般用金屬外殼密封，也有用玻璃殼封裝的。2. 壓電效應(yīng)石英晶片所以能做振蕩電路是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道， 若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場，會使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若 在極板間施加機(jī)械力，又會在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為 壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動， 同時(shí)機(jī)械變形振動又會產(chǎn)生交變電場。 一般來說，這種機(jī)械振動的振 幅是比較小的，其振動頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率 與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械振動的幅度將 急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧 振器。

3、3. 等效電路和諧振頻率石英晶體的壓電諧振現(xiàn)象可以用圖 2所示的等效電路來模擬。等效電路中的CO為切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容，L和C分別模擬晶體的 質(zhì)量（代表慣性）和彈性，而晶片振動時(shí)，因摩擦而造成的損耗則用電阻R來等效。由于晶片的等效電感 L很大，而C和R很小，因此Q很大，可達(dá) 1045´105。圖2為石英晶體的代表符號、等效電路和電抗特性。（a）代表符號（b）等效電路（c）電抗一頻率響應(yīng)特性圖2石英晶體的等效電路與電抗特性由等效電路可知，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，即(1)當(dāng)R、L、C支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，其串聯(lián)諧振頻率為(1)由于CO很小，它的容抗比R大得多，因此，串聯(lián)諧振的等效阻抗近 似于為R,呈純阻性，且其阻值很小。(2)當(dāng)頻率高于fs時(shí)，R、L、C支路呈感性，當(dāng)與CO發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，其振蕩頻率為由于 ，因此fs與fp非常接近通常石英晶體產(chǎn)品所給出的標(biāo)稱頻率既不是 fs也不是fp，而是外接 一小電容Cs時(shí)校正的振蕩頻率，Cs與石英晶體串接如圖3所示。利 用Cs可使石英晶體的諧振頻率在一個(gè)小范圍內(nèi)調(diào)整。 Cs的值應(yīng)選擇 得比C大?？梢杂?jì)算接入C s后新的串聯(lián)諧振頻率圖3諧振頻率的調(diào)整(3)將上式展開成幕級數(shù)，并注意到十5，從而略去高次項(xiàng)，可 近似得當(dāng)GtCI時(shí)，n，而當(dāng)S時(shí)，證=/；。實(shí)用時(shí)，