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石英晶振等效电路及特性方程式

2018-03-31 10:16:25 

石英是地球表面分布最广的矿物之一,它的用途也相当广泛。远在石器时代,人们用它制作石斧、石箭等简单的生产工具,以猎取食物和抗击敌人。石英钟、电子设备中把压电石英片用作标准频率;熔融后制成的玻璃,可用于制作光学仪器
石英(SiO2)由硅和氧两种元素组成。石英晶振用于产生控制和管理所有通讯系统的频率,是大多数钟、手表、计算机和微处理机中的重要元件,也是现代电子技术不可或缺的一部分。
根据不同用途,将石英晶棒按照特定的晶向切割成晶片,即可制成石英晶体。图2和图3给出了振动切型、频率变化及其特性。

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频率和温度特性
a.AT切型晶体
石英晶振晶片的一种特殊切割角度,其频率的温度特性非常优异,见图1
b.不同切型晶体的频率特性,见图2
晶体的切割角度及其振动模式
见图2和图3

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石英晶体元器件的等效电路
一个产生主谐振频率的贴片晶振可以表达为一个等效电路--- 一般包括一个由电感、电容和电阻组成的串联电路和一个与这个串联电路并联的电容,如图所示。
在这里,C0为是静态电容,包括电极间的静态电容和端子间的杂散电容。

将石英晶体元器件视为一个电子和机械的振动系统时,L1和C1 就是它的等效常数。由于这两个常数取决于切型、切角、晶片尺寸和电极结构等因素,并且可以反复调整,故而石英晶体振荡器元器件的精度可以做得很高。

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R1表示振荡损耗,受切割方式、装联方式、晶片形状和晶片尺寸的控制。
L1是动态电感,C1是动态电容,R1是串联电阻。
石英晶体元器件的等效电路
L1:动态电感
C1:动态电容
R1:谐振电阻,等效串联电阻
C0:静态电容

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组成上述等效电路的L1,C1,R1和C0都是有关联的,可以表达为下列方程式。

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下面是有关石英晶体特性的几个方程式。

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CL=(C1×C2)/(C1+C2)+杂散电容 杂散电容可以在2pF-6pF之间变化
注意
当应用于CMOS振荡电路时,为了将激励电平保持在特定的数值范围内,获得稳定的振荡,电路图中的Rd是必不可少的。
C1和C2必须在10-31pF范围内,如果C1 小于10pF或C2大于30pF,则振荡很容易受到电路不同状况的影响,会使激励电平增加或负电阻减少,导致了振荡频率不稳定。
有源晶振电路布线时,应尽可能短一些。
电路和接地部分之间的杂散电容应当减小。
晶体振荡电路部分与其它电路部分要避免桥接。
超声波清洗会使晶体性能退化
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