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晶体的谐振模式
2021-10-27

晶体具有两种谐振模式:串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振,两个频率中的高频率)。所有在振荡电路中呈现纯阻性时 的晶体都表现出两种谐振模式。在串联谐振模式中,动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反,阻抗最小。在反谐振点。阻 抗却是最大的,电流是最小的。在振荡器应用中不使用反谐振点。 通过添加外部元件(通常是电容),石英晶体可振荡在串联 与反谐振频率之间的任何频率上。在晶体工业中,这就是并联频率或者并联模式。这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。图2 图 给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。


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2. 晶体阻抗相对频率


负载电容和可牵引性


在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。在该模式当中,晶体的总电抗呈现感性,与振荡器的负载电容并联, 形成了LC谐振回路,决定了振荡器的频率。当负载电容值改变后,输出频率也随之改变。因而,晶体的生产商必须知道振荡器 电路中的负载电容,这样可以在工厂中使用同样的负载电容来校准。 如果使用谐振在不同的负载电容上的晶体,那么晶体频 率将偏离额定的工作频率,这样参考频率将引入误差。因而,需要添加外部电容,改变负载电容,使晶体重新振荡到需要的工 作频率上。 图3 图 给出MAX1470评估板电路里的晶体图。在这个电路中,C14和C15是串联牵引电容,而C16是并联牵引电容。


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Cevkit为等效的MAX1470芯片加上评估印刷板的寄生电容。Cevkit约为5pF。 图3. 评估板晶 体等效电路 串联牵引电容会加快晶体振荡,而并联电容会减缓振荡。Cevkit为5pF,如果使用负载电容为5pF的晶体,会振荡 到需要的频率上,因而无需外部的电容(C16不接,同时C14和C15在板上短接)。评估板本身使用3pF负载电容的晶体,需要两个 15PF电容串联加速振荡。负载电容的计算如下: 在这个例子中,如果不使用两个串联电 容,4.7547MHz晶体会振荡在4.7544MHz,而接收机将调谐在314.98MHz而不是315.0MHz,频率误差约为20kHz,也就是60ppm。 因而,关键是使用串联或者并联或者两种形式匹配晶体的负载容抗(取决于电容的值)。例如,1pF并联电容是6pF负载电容所需 要的(或者以下的结合形式:C14 = C15 = 27PF, C16 = 5pF)。 谨慎使用大电容值的C16,因为它会增大谐振电路的电流,导致晶体停振,图4 图 给出了并联电容和振荡器电流的关系图。


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体振荡器电流与附加的并联负载电容的关系 在定制的PCB板中,如果Cevkit未知,可以使用频谱分析仪监测中频(在信号进入 频谱分析仪之前确保使用隔直电容),然后使用串联和并联电容调谐中频频率至10.7MHZ。


串联谐振


石英晶体技术参数解释 为了方便用户选购订购本公司产品,特对石英晶体技术参数进行解说: 


1. 石英谐振器石英谐振器是一种频率稳定和选择频率的重要部件,在通讯领域,电子仪器,微处理机、钟表、消费类电子、 电大军用、民用产品中有着广泛的应用。


2. 石英谐振器主要性能指标有调整频差、温度频差(或总频差)负载谐振电阻或谐振电阻、机械性能等。 


(1)负载电容:从石英谐振器插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡器加给石英谐振器的负载电容。负载 电容与石英谐振一起决定振满器的工作频率。通过调整负载电容一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。规定的负载电容是 一个测试条件,也是一个使用条件。这个值可以根据具体情况作适当调整,负载电容太大时杂散电容影响减小,但微调率下 降,负载电容太大时杂散电容影响减小,但自始至终调率下降,负载电容小时,微调率增加,但杂散电容影响增加、负载谐振 电阻增加,甚至起振困难。负载电容标∞为串联谐振。 


(2)激励电平:为谐振器工作时消耗的有效功率其标称值有0.05, 0.1, 0.5, 1.2, 4MW产品说明书及订购产品规定的激励电 平是一个测试条件,也是一个使用条件,实际使用中激励电平可作适当调整,激励强,容易起振,但频率老化加快。激励太强 甚至使石英片破碎,降低激励,频率老化改善,但激励太弱时频率瞬稳变差,甚至不易起振。


(3)AT切型的基频至泛音。AT切石英片基频是指晶片振动的基波。由于工艺限制最高在 30000KHZ以下,电气谐波与基频是整 数们关系,两者同时存在,AT切石英片泛音是指晶片振动的机械谐振,近似为晶片基频的奇数倍,晶片泛间频率必须工作在相 应的电路上才能获得,本厂的石英谐振器频率单位为MHZ。 


3. 石英谐振器的应用,主要应注意其负载电容,激励电平,对泛音晶体在电路上要采取措施,将其寄生振荡频率抑制。 


(1)标称频率、技术条件中所指定的频率。通常指产品上标志频率。 


(2)工作频率,在给定电路上和规定条件下石英谐振器工作所产生的实际频率。 


(3)基准温度:测量石英谐振器参数时,指定的环境温度非恒温型石英谐振器为25+2 。


(4)调整频差,在规定条件下,基准温度的工作频率相对于标称频率的最大偏离值。 


(5)温度频差,在规定条件下某温范围内的工作频率相对于基准温度下工作频率的最大偏离值。 


(6)总频差:在规定条件下、某温度范围内工作频率与标称频差的最大偏离值。 


(7)负载谐振电阻,在规定条件下,石英谐振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。 


(8)谐振电阻,在规定条件下,石英谐振器不串负载电容在谐振频率时的电阻。 


石英晶体振荡器(简称晶振)


一、术语解释 


1、频率准确度:在规定条件下,晶振输出频率相对于标称频率的允许偏离值。常 用其相对值表示。 


2、频率稳定度: 


2.1[时域表征] ⑴ 在规定条件下,晶振内部元件由于老化而引起的输出 频率随时间的漂移。通常用某一时间间隔内的老化频差的相对值来量度(如日、月或年老化率等)。 ⑵ 日稳定度 (或称日波动):指晶振输出频率在24小时内的变化情况。通常用其最大变化的相对值来表示。 


2.2[频域表征] ⑴ 单边相位噪声功率谱密度,晶振输出信号的频谱中,用偏离载频f Hz处每Hz带宽内单边相位噪声功率与信号功率之比的分贝 (dB)量,可写作 £(f)单位为dB/Hz。 ⑵ 频谱纯度:是量度晶振内部噪声及杂散谱的尺度。通常用单边噪声功 率谱密度来表示。 


3、输出波形:有正弦波和方波两种。 


4、输出幅度:在接入额定负载的规定条件下,晶振输出的均方根值 电压。


5、频率温度特性:当环境温度在规定范围内按预定方式变化时,晶振的输出频率产生的相对变化特性 。


6、压控线性 度:指压控晶振输出频率与压控电压曲线偏离线性的程度。


二、应用指南根据晶振的不同使用要求及特点,通常分为以下几 类:普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。安装晶振时,应根据其引脚功能标识与应用电路应连接,避免电源引线与 输出引脚相接输出。 在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量,交流电压应无瞬变过程。测试仪器 应有足够的精度,连线合理布置,将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。 AT切型晶体的频率温度特性曲线如下: 


1、普通晶振(PXO):是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器,在整个温度范围内,晶振的频率稳定度取决于其内部所用 晶体的性能,频率稳定度在10-5量级,一般用于普通场所作为本振源或中间信号,是晶振中最廉价的产品。 


2、温补晶振 (TCXO):是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿,以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般 模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级,由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗 低、体积小、环境适应性较强等多方面优点,因而获行了广泛应用。 


3、恒温晶振(OCXO):采用精密控温,使电路元件及晶 体工作在晶体的零温度系数点的温度上。中精度产品频率稳定度为10-7~10-8,高精度产品频率稳定度在10-9量级以上。主要 用作频率源或标准信号。 


4、压控晶振(VCXO):是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器,主要用 于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。


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