石英晶振的優點是,它的彈性常數和尺寸的變化使得頻率對溫度的依賴性非常低.具體特征取決于振動模式和石英切割的角度(相對于其晶軸).因此,取決于其尺寸的板的共振頻率變化不大.這意味著石英鐘,濾波器或振蕩器保持精確.對于關鍵應用,石英振蕩器安裝在溫控容器中,稱為晶體爐,也可以安裝在減震器上,以防止外部機械振動的擾動.
造型
電氣模型
石英晶體可以被建模為具有緊密間隔的低阻抗(串聯)和高阻抗(并聯)諧振點的電網絡.數學上(使用拉普拉斯變換),該網絡的阻抗可以寫成:
或者
其中s是復數頻率(),是串聯諧振角頻率,是并聯諧振角頻率.
振蕩器中壓電石英晶振的示意符號和等效電路
在晶體上增加電容會導致(并聯)諧振頻率降低.在晶體上增加電感會導致(并聯)諧振頻率增加.這些效應可以用來調節晶體振蕩的頻率.晶體制造商通常切割和修整晶體,使其具有特定的諧振頻率,并在晶體中添加已知的"負載"電容.例如,當一個6.0pF電容置于其上時,用于6pF負載的晶體具有其指定的并聯諧振頻率.沒有負載電容,諧振頻率更高.共振模式石英晶體提供串聯和并聯共振.串聯諧振比并聯諧振低幾千赫茲.低于30MHz的晶體通常在串聯和并聯諧振之間工作,這意味著晶體在工作中表現為感抗,該電感形成具有外部連接并聯電容的并聯諧振電路.任何與晶體并聯的小電容都會降低頻率.此外,可以通過增加與晶體串聯的電容器來降低晶體的有效感抗.后一種技術可以提供一種在窄范圍內微調振蕩頻率的有用方法;在這種情況下,插入與晶體串聯的電容會提高振蕩頻率.要使晶體以其規定的頻率工作,電子電路必須與晶體制造商規定的完全一致.請注意,這些點暗示了這個頻率范圍內石英晶體振蕩器的微妙之處:晶體通常不會精確地在其任何一個諧振頻率下振蕩.
30MHz以上(高達>200MHz)的晶體通常在串聯諧振下工作,此時阻抗最小,等于串聯電阻.對于這些晶體,指定串聯電阻(<100ω),而不是并聯電容.為了達到更高的頻率,可以使晶體以其泛音模式之一振動,泛音模式出現在基頻諧振頻率的倍數附近.僅使用奇數泛音.這種晶體被稱為第三,第五甚至第七泛音晶體.為了實現這一點,振蕩器電路通常包括附加的LC電路來選擇所需的泛音.溫度效應晶體的頻率特性取決于晶體的形狀或"切割".音叉晶振通常被切割成其頻率對溫度的依賴性是最大值在25℃左右的二次曲線.這意味著音叉晶體振蕩器在室溫下諧振接近其目標頻率,但是當溫度從室溫升高或降低時會變慢.32千赫音叉晶體的公共拋物線系數為0.04ppm/°C:
在實際應用中,這意味著使用常規32千赫音叉晶體構建的時鐘在室溫下保持良好的時間,但是由于石英晶振的緣故,在高于或低于室溫的10℃下每年損失2分鐘,在高于或低于室溫的20℃下每年損失8分鐘.
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