石英晶體諧振器的工作原理石英晶體的操作取決于將機械共振與電氣系統(tǒng)聯(lián)系起來的壓電效應(yīng)。石英晶體諧振器或xtals的操作取決于壓電效應(yīng)和材料的尖銳機械共振.電信號從其電氣形式轉(zhuǎn)換為機械振動.正是這些振動受到石英晶體機械共振的影響,然后再連接回電氣系統(tǒng).與石英晶體相關(guān)的損耗非常低,這意味著選擇性或Q質(zhì)量因子非常高.

石英晶體諧振器的電路符號,xtal

壓電效應(yīng)
在研究石英晶體的工作原理時,首先需要了解壓電效應(yīng)的基礎(chǔ)知識.
它是在許多材料中發(fā)生的,包括天然材料和合成材料.
壓電效應(yīng)發(fā)生在石英以及電子工業(yè)中使用的許多陶瓷材料以及許多有機物質(zhì)中.正是由于這個原因,一些陶瓷諧振器是可用的,盡管它們的性能在用作諧振器方面不等于石英.
peizo-electric效應(yīng)不僅用于諧振器,還可用于電子傳感器-運動傳感器,應(yīng)力計,水晶麥克風(fēng)等等.
當(dāng)發(fā)生壓電效應(yīng)時,由于施加的機械應(yīng)力,在某些固體材料中產(chǎn)生電荷.這種效應(yīng)將晶體中的機械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電壓,反之亦然,即應(yīng)力可以在材料上產(chǎn)生電荷,或者在材料上放置電荷將導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力.
石英晶體諧振器如何工作:基礎(chǔ)知識
對于石英晶體的操作,發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)將電脈沖轉(zhuǎn)換成機械應(yīng)力,該機械應(yīng)力受到晶振的非常高的Q機械共振,并且這反過來又連接回電路.
石英晶體可以以幾種不同的方式振動,這意味著它有幾個共振-每個共振頻率不同.
幸運的是,從原始晶體本身切割石英晶體坯料的方式可以非常顯著地減少這種情況.事實上,面相對于原始晶軸的角度決定了它的振動方式,活動Q,溫度系數(shù)的許多特性.
在研究石英晶體諧振器的工作原理時,可以看出晶體有三種主要振動方式:
縱向模式:在縱向模式下,晶體延伸和縮短.這導(dǎo)致中心隨著晶體延伸而變薄并且隨著其縮短而變厚.

石英晶體諧振器縱向振動

低頻面剪切模式:對于在此模式下工作的晶體,晶體的整個矩形形狀如下所示振動.

石英晶體諧振器低頻剪切振動

高頻剪切:高頻剪切模式用于大多數(shù)工作在1MHz以上區(qū)域的石英晶體諧振器.

石英晶體諧振器高頻剪切振動

從塊狀晶體切割晶體坯料的方式會影響晶體振動的方式.特別地,相對于塊狀諧振器的軸線切割的角度具有重大影響.有幾個標(biāo)準(zhǔn)的“切割”,它們都有名稱,這些都有已知和有用的性能參數(shù).在傳統(tǒng)的無線電和電子電路中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)晶體都使用稱為AT切割的切口,這通常使用高頻剪切模式振動.
為了分析石英晶體諧振器的電響應(yīng),將其描述為替換石英晶體諧振器所需的等效電氣元件通常是有用的.然后可以使用該等效電路分析其響應(yīng)并預(yù)測其性能,如下圖所示:
下面給出的等效電路通常稱為4參數(shù)晶體模型,它足以進行許多計算并說明晶體的操作.

石英晶體諧振器等效電路

可以將這些理論組成部分等同于貼片晶振的真實物理屬性:
L:電感來自材料的質(zhì)量.
C1:該電容源于晶體的順應(yīng)性.
R:這個因素來自系統(tǒng)的損失.其中最大的一個是由晶體機械振動的摩擦損失引起的.
Co:理論石英晶體等效電路中的該電容源自晶體元件的電極之間的電容.這經(jīng)常被稱為并聯(lián)電容.
除了用于振蕩器之外,石英晶體還可用于過濾器.在這里,它們提供了其他形式的過濾器無法實現(xiàn)的性能水平.通常可以在一個過濾器中使用幾個石英晶振以提供正確的形狀.

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