是時(shí)候來(lái)真正了解石英晶體諧振器了
來(lái)源:http://xwpc.com.cn 作者:金洛鑫電子 2019年06月01
許多業(yè)界人士認(rèn)為石英晶體諧振器的發(fā)展與無(wú)線(xiàn)電密不可分,因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電依賴(lài)晶體的頻率振蕩功能工作,而晶體諧振器也因無(wú)線(xiàn)電而受到廣泛的關(guān)注和重視。人類(lèi)使用無(wú)線(xiàn)電和晶振都有一百多年的時(shí)間了,期間絕大多數(shù)的人對(duì)石英晶體諧振器仍沒(méi)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(lái)越重要,因此是時(shí)候讓更多的人,尤其是企業(yè)或工廠(chǎng)的采購(gòu)和工程,來(lái)真正的了解石英晶體諧振器了。
準(zhǔn)確的時(shí)間是我們認(rèn)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(lái)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(jì)實(shí)惠,已知且穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率時(shí),石英晶體是我們的首選標(biāo)準(zhǔn)。也許是時(shí)候我們仔細(xì)看看它了。
無(wú)線(xiàn)電頻率的第一個(gè)電子振蕩器依賴(lài)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(dòng))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(lài)其定時(shí)。早在計(jì)算機(jī)需要精確計(jì)時(shí)之前,20世紀(jì)20年代和30年代的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)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(jī)保持在目標(biāo)上。 良好的振動(dòng):
調(diào)諧電路頻率穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)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(shuō),當(dāng)你使它們變形時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生電荷,當(dāng)向它們施加電荷時(shí),它們又會(huì)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(dòng)。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(yùn)行。
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(méi)有晶體破裂的情況下,材料的厚度不能進(jìn)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(huì)指出石英水晶振子可以在這個(gè)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(guò)諧波泛音實(shí)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(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(shí)踐中,設(shè)計(jì)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(gè)泛音晶體不會(huì)導(dǎo)致它以泛音頻率振蕩,而是會(huì)在其基頻上運(yùn)行。泛音振蕩器必須包含一個(gè)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(lái)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(shí)間是我們認(rèn)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(lái)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(jì)實(shí)惠,已知且穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率時(shí),石英晶體是我們的首選標(biāo)準(zhǔn)。也許是時(shí)候我們仔細(xì)看看它了。
無(wú)線(xiàn)電頻率的第一個(gè)電子振蕩器依賴(lài)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(dòng))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(lài)其定時(shí)。早在計(jì)算機(jī)需要精確計(jì)時(shí)之前,20世紀(jì)20年代和30年代的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)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(jī)保持在目標(biāo)上。 良好的振動(dòng):
調(diào)諧電路頻率穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)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(shuō),當(dāng)你使它們變形時(shí),它們會(huì)產(chǎn)生電荷,當(dāng)向它們施加電荷時(shí),它們又會(huì)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(dòng)。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(yùn)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(huì)遇到晶體。在無(wú)線(xiàn)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(hào)中提取一個(gè)邊帶。當(dāng)你需要一個(gè)水晶控制的時(shí)鐘時(shí),你可能會(huì)找到一個(gè)現(xiàn)成的晶體振蕩器模塊,永遠(yuǎn)不需要?jiǎng)?chuàng)建自己的晶體振蕩器模塊。當(dāng)您需要更高頻率的時(shí)鐘時(shí),您將使用具有鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器芯片,因此您永遠(yuǎn)不需要制作泛音振蕩器。但是,對(duì)于任何常用組件而言,在基礎(chǔ)知識(shí)方面具有基礎(chǔ)并沒(méi)有任何害處,晶體也不例外。
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(méi)有晶體破裂的情況下,材料的厚度不能進(jìn)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(huì)指出石英水晶振子可以在這個(gè)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(guò)諧波泛音實(shí)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(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(shí)踐中,設(shè)計(jì)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(gè)泛音晶體不會(huì)導(dǎo)致它以泛音頻率振蕩,而是會(huì)在其基頻上運(yùn)行。泛音振蕩器必須包含一個(gè)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(lái)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(shí)用的晶體采用精密研磨的圓盤(pán)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(huì)發(fā)現(xiàn)它是使用離散邏輯門(mén)以及眾多微處理器和其他IC實(shí)現(xiàn)的。晶體配置有一對(duì)電容器和一個(gè)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(gè)電容器有時(shí)可以并聯(lián)一個(gè)小的可變電容器,允許進(jìn)行非常小的頻率調(diào)整以校正各個(gè)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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