石英晶體振蕩器中使用的石英晶體是一塊非常小的薄片或切割石英晶片,兩個(gè)平行表面被金屬化以形成所需的電連接.一塊石英晶振的物理尺寸和厚度受到嚴(yán)格控制,因?yàn)樗鼤?huì)影響振蕩的最終或基本頻率.基頻通常稱為晶體"特征頻率".

切割成型后,晶體不能以任何其他頻率使用.換句話說,它的大小和形狀決定了它的基本振蕩頻率.

晶體特征或特征頻率與兩個(gè)金屬化表面之間的物理厚度成反比.機(jī)械振動(dòng)晶體可以由等效電路表示.該電路包括低電阻R,大電感L和小電容C,如下所示.

石英晶體等效模型

石英晶體的等效電路顯示了一系列RLC電路,它代表晶振的機(jī)械振動(dòng),與電容Cp并聯(lián),代表與晶體的電連接.石英晶體振蕩器傾向于朝著它們的"串聯(lián)諧振"運(yùn)行.

晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振,其中Cs與晶體工作頻率下的電感,Ls諧振.這個(gè)頻率稱為晶體系列頻率,ƒs.除了該串聯(lián)頻率之外,還存在由于當(dāng)Ls和Cs與并聯(lián)電容器Cp諧振器時(shí)產(chǎn)生的并聯(lián)諧振而建立的第二頻率點(diǎn),如圖所示.

晶體阻抗頻率

石英晶體阻抗 石英晶體阻抗公式

上面的晶體阻抗的斜率表明隨著頻率在其端子上增加.在特定頻率下,串聯(lián)電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用產(chǎn)生串聯(lián)諧振電路,將貼片晶振阻抗減小到最小并等于Rs.該頻率點(diǎn)稱為晶體串聯(lián)諧振頻率ƒs,低于ƒs晶體是電容性的.

當(dāng)頻率增加到高于該串聯(lián)諧振點(diǎn)時(shí),晶體表現(xiàn)得像電感器,直到頻率達(dá)到其并聯(lián)諧振頻率ƒp.在該頻率點(diǎn),串聯(lián)電感器Ls和并聯(lián)電容器Cp之間的相互作用產(chǎn)生并聯(lián)調(diào)諧LC諧振電路,因此晶體上的阻抗達(dá)到其最大值.

然后我們可以看到石英晶振是串聯(lián)和并聯(lián)調(diào)諧諧振電路的組合,以兩個(gè)不同的頻率振蕩,兩者之間的差異非常小,這取決于晶體的切割.此外,由于晶體可以在其串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率下工作,因此晶體振蕩器電路需要調(diào)諧到一個(gè)或另一個(gè)頻率,因?yàn)槟荒芡瑫r(shí)使用它們.

因此,根據(jù)電路特性,石英晶體可以充當(dāng)電容器,電感器,串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路,為了更清楚地證明這一點(diǎn),我們還可以繪制晶體電抗與頻率的關(guān)系,如圖所示.

晶體對頻率的反應(yīng)

石英晶體電抗 石英晶體電抗配方

電抗對上述頻率的斜率表明,頻率fs處的串聯(lián)電抗與Cs成反比,因?yàn)榈陀?fnof;s且高于ƒp,晶體看起來是電容性的.在頻率ƒs和ƒp之間,當(dāng)兩個(gè)并聯(lián)電容抵消時(shí),壓電石英晶體看起來是電感性的.