石英晶体的底子特性与等效电路
频率安稳度是衡量振动电路的质量方针之一,一般用 来标明,其间f0为振动频率,Df为频率偏移。频率安稳度有时还附加时刻条件,如一小时或一日内的频率相对改动量。前面介绍的RC振动电路的频率安稳度大于十–3,一般LC振动电路也只能到达十–4。石英晶体振动电路的频率安稳度可达十–9乃至十–11,这是因为选用了具有极高Q值的石英晶体元件。
1.构造
石英晶体是一种各向异性的结晶体,它是硅石的一种,其化学成分是二氧化硅(SiO2)。从一块晶体上按必定的方位角切下的薄片称为晶片(可所以正方形、矩形或圆形等),然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板,就构成石英晶体商品,如图1所示,一般用金属外壳密封,也有用玻璃壳封装的。
2.压电效应
石英晶片所以能做振动电路是依据它的压电效应,从物理学中知道,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体发作机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上发作电场,这种景象称为压电效应。如在极板间所加的是交变电压,就会发作机械变形振动,一同机械变形振动又会发作交变电场。一般来说,这种机械振动的振幅是比照小的,其振动频率则是很安稳的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(抉择于晶片的规范)持往常,机械振动的凹凸将急剧添加,这种景象称为压电谐振,因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。
3.等效电路谐和振频率
石英晶体的压电谐振景象能够用图2所示的等效电路来仿照。等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容,L和C别离仿照晶体的质量(代表惯性)和弹性,而晶片振动时,因抵触而构成的损耗则用电阻R来等效。因为晶片的等效电感L很大,而C和R很小,因此Q很大,可达十4~5´十5。
图2为石英晶体的代表符号、等效电路和电抗特性。
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(a)代表符号 (b)等效电路 (c)电抗—频率照应特性 |
由等效电路可知,石英晶体有两个谐振频率,即
(1)当R、L、C支路发作串联谐振时,其串联谐振频率为
因为C0很小,它的容抗比R大得多,因此,串联谐振的等效阻抗近似于为R,呈纯阻性,且其阻值很小。
(2)当频率高于fs时,R、L、C支路呈理性,当与C0发作并联谐振时,其振动频率为
因为 ,因此fs与fp十分挨近。
一般石英晶体商品所给出的标称频率既不是fs也不是fp,而是外接一小电容Cs时校对的振动频率,Cs与石英晶体串接如图3所示。运用Cs可使石英晶体的谐振频率在一个小计划内调整。Cs的值应挑选得比C大。能够核算接入Cs后新的串联谐振频率
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将上式翻开成幂级数,并留神到 ,然后省掉高次项,可近似得
当 时, ,而当 时, 。有用时,Cs是一个微调电容,使f¢s在fs与fp之间的一个狭隘计划内改动。能够剖析得出Cs并不影响并联谐振频率。
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