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什么是晶振?晶振工作原理是怎样的?

194 2022-03-17 来源: IC先生 作者: IC先生

晶振又叫做石英晶体,是石英晶体振荡器(有源晶振)和石英晶体谐振器(无源晶振)的总称,主要用于在许多电子设计中提供非常高的Q(品质因数)谐振元件,特别是在振荡器和滤波器内的许多RF电路设计中。通常在电路设计中,这些电子元件可能被称为“Xtals”,而对它们的电路设计参考可能被称为xtal1等。

石英晶体虽然具有卓越的性能,但生产成本低廉,可用于从微处理器时钟振荡器的电子设计到高性能滤波器、高度稳定的恒温振荡器、温度补偿晶体振荡器以及更多通用和射频电路设计等领域。

顾名思义,石英晶体谐振器由石英制成,石英是一种天然存在的硅。然而,大多数用于电子工业的石英都是合成制造的。

目前石英晶体谐振器有多种尺寸和格式可供选择,以满足大多数应用的要求。从小型表面贴装器件到较大的通孔安装晶体以及用于插座的晶体,这些电子元件有多种尺寸和格式。

引线式HC49石英晶体谐振器

晶振的基础知识

石英晶体谐振器技术依赖于石英的卓越特性来运行的,也就是当放置在电子电路中时,石英晶体充当调谐电路,但它的Q值非常高。

如果精心设计和构造的花,普通LC调谐电路的值可能为几百,但石英晶体的值能够高达100000。

除了Q值之外,晶体技术还具有许多其他优势。它们在温度和时间方面非常稳定。事实上,大多数晶体都会指定这些参数,并且它们通常老化的速度为每年±5 ppm(百万分之几),在0至60°C的温度范围内为±30 ppm。

天然石英晶体

在工作时,石英晶体利用压电效应将电信号转换为机械振动,这些导致晶体振动,然后晶体的机械共振作用于机械振动。最终,压电效应链接成回电路,并且受机械共振影响的信号被转换回来。

晶振的电路符号

在电子设计原理图中使用的石英晶体谐振器的电路符号非常简单,石英晶体符号显示主石英元件两侧的两个板。它有两条线,一条在顶部,另一条在底部,中间有一个矩形。

其实在许多方面,电路符号很好地代表了实际晶体本身,尤其是早期的晶体谐振器由两个导电板之间的石英板组成。

石英晶体谐振器的电路符号

与许多其他电路符号不同,石英晶体电路符号的变化很少,因此被广泛认可。

晶振的工作原理

石英晶体的工作是基于石英表现出压电效应这一事实,这意味着当在晶体上施加应力时,会看到电动势或电势。反之亦然,当在晶体上施加电势时,它会轻微偏转,这意味着压电效应使机械和电气领域能够联系起来。

就石英晶体作为高Q谐振器的操作而言,石英晶体可以具有跨其放置的电信号,例如无线电接收器中的信号,这被转换为机械振动。

另外,石英晶体的机械性能充当了一个非常高的Q谐振器,然后将其效果转换回电路域。总的结果是,在电路看来,存在一个非常高Q的电子滤波器。

当然,在任何电子电路设计中,查看晶体的等效电路很有用,以便正确完成电子设计,石英晶体谐振器的正常等效电路如下所示:

石英晶体谐振器等效电路

石英晶体谐振器等效电路

晶振的主要用途

石英晶体有两种主要的应用形式:振荡器和滤波器中的谐振元件。在这两种应用中,石英晶体谐振器的 Q 值都非常高,因此可以实现非常高的性能水平,这就是为什么它们被用于低成本时钟的许多通用电路设计以及要求更高的射频电路设计应用中的原因。

下面更详细地概述了这些电子元件的一些用途及其缩写:

振荡器:石英晶体的高Q值意味着使用的振荡器能够提供非常高的精度和稳定性。根据性能要求和成本限制,在电子设计中使用石英谐振器的方式有多种选择。

晶体振荡器—XO:石英谐振器可以非常简单地用于简单的振荡器电路中。由于基本的石英谐振器相对便宜,因此它们通常被用作例如微处理器时钟振荡器内的谐振器的应用中的谐振器。

PC主板上使用的石英晶体谐振器

PC主板上使用的石英晶体谐振器

通常,这些振荡器对精度的要求不会太高,因此可以通过使用石英晶体将成本保持在最低水平。在这些应用中使用时,石英晶体比许多其它性能不佳的解决方案更便宜。

压控晶体振荡器VCXO:   对于某些应用,可能需要稍微改变振荡器频率。VCXO 或压控 Xtal 振荡器相对容易构建。

这些电路很简单,通常涉及使用可变电压来驱动晶体电路中的变容二极管。变容二极管的电抗变化会改变晶体及其相关电路的整体谐振频率。

然而,鉴于晶体谐振器的高Q值,频率只有相对较小的变化也是有可能的,所以用作电路构建,也可以作为商业模块使用。

温度补偿晶体振荡器TCXO:晶体振荡器频率变化的主要原因之一是温度变化。如果需要比标准振荡器提供的频率稳定性更高的频率稳定性,则可以选择TCXO、温度补偿Xtal 振荡器。顾名思义,这种形式的振荡器对振荡器进行温度补偿。尽管它们没有与恒温晶体振荡器相同的性能,但它们仍然能够为许多电路设计提供非常高水平的稳定性和性能。

烤箱控制晶体振荡器OCXO:如果需要最高水平的频率稳定性,最佳选择是烤箱控制晶体振荡器,称为OCXO,这种形式的晶体振荡器将晶体及其相关电路保持在温度受控的“烤箱”中。它在高于环境的温度下运行,并在振荡器运行时保持恒定温度。通过这种方式,温度变化导致的任何变化都被最小化。

滤波器:石英晶体谐振器的另一个主要应用是滤波器。在这里,谐振器用于电路中,该电路用于接受想要的信号并拒绝不需要的信号。使用石英可以获得非常高的Q值,这意味着这些滤波器具有非常高的性能。

当然,石英晶体滤波器可能由一个晶体组成,但提供更高水平性能的更复杂的滤波器可以使用六个甚至八个晶体制成。鉴于这些滤波器涉及经验和先进的射频电路设计,它们通常作为滤波器模块获得,尽管许多是由最终制造商/设计人员自己制造的。

贴片石英晶体

简单小结

以上就是关于石英晶体谐振器相关知识的介绍,目前石英晶体谐振器已经被广泛用于电子行业,它们可用于提供异常高水平性能的石英晶体振荡器和晶体滤波器。除此之外,具有较低容差规格的低成本元件被广泛用于微处理器板时钟的晶体振荡器中,它们被用作廉价的谐振器元件。无论其用途如何,石英晶体谐振器都提供了极高的性能水平,但其生产成本却不高。

如果想了解更多晶振相关方面的知识,可以关注“IC先生”网站以及“IC先生”微信公众号,我们将给您带来更多新闻资讯和知识科普!

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