石英晶体谐振器

石英晶体谐振器有时被称为xtal和谐振器,它们为振荡器和滤波器提供极高的Q值,在许多射频电路设计应用中得到广泛应用。


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在许多电子设计中,石英晶体谐振器被用于提供非常高的Q谐振元件,特别是在振荡器和滤波器中的许多射频电路设计中。通常在电路设计中,这些电子元件可以被称为“xtal”,电路设计中对它们的参考可能被称为xtal1等。

尽管石英晶体具有优异的性能,但其生产成本低廉,可以用于从微处理器时钟振荡器的电子设计到高性能滤波器、高稳定的烘箱控制振荡器、温度补偿晶体振荡器和许多更多的通用和射频电路设计。

顾名思义,石英晶体谐振器是由石英制成的,石英是硅的自然存在形式。然而,大多数用于电子工业的石英是合成制造的。

石英晶体谐振器有多种尺寸和格式,以满足大多数应用的要求。从小的表面安装设备到更大的通孔安装晶体以及插座,这些电子元件有许多尺寸和格式。

线引HC49石英晶体谐振器
线引HC49石英晶体谐振器

石英晶体谐振器基础

石英晶体谐振器技术依靠石英的卓越性能来实现其工作。当放入电子电路中时,石英晶体充当调谐电路。但是它有一个异常高的Q。

如果精心设计和构造,普通LC调谐电路可能显示的值只有几百,但石英晶体显示的值高达10万。

除了他们的Q,晶体技术也有一些其他的优势。它们相对于温度和时间是非常稳定的。事实上,大多数晶体都有这些特定的数字,它们通常可能是±5ppm(百万分之一)每年的老化和±30ppm的温度范围为0到60°C。

天然石英晶体
石英晶体天然形成的石英晶体

在操作中,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。压电效应然后连接回电域,信号被机械共振影响转换回来。

整体效果是,石英晶体连接非常高的Q机械共振到电畴,使非常稳定的高Q共振影响电信号。

阅读更多关于. . . .什么是石英。

石英晶体电路符号

用于电子设计原理图的石英晶体谐振器的电路符号是直接的。石英晶体符号显示了主石英元素两侧的两块板。它有两条线,一条在上面,另一条在下面,中间有一个矩形。

在许多方面,电路符号是实际晶体本身的一个很好的代表,特别是早期的晶体谐振器由一个石英板夹在两个导电镀板之间。

用于电子设计原理图的石英晶体谐振器电路符号
石英晶体谐振器的电路符号xtal

与许多其他电路符号不同,石英晶体电路符号的变化很少,因此它被广泛认可。

石英晶体谐振器是如何工作的

石英晶体的工作是基于石英显示压电效应这一事实。这就意味着当一个应力在晶体上形成时,就可以看到电动势或电势。反之亦然,当电势在晶体上施加时,它会轻微偏转。

这意味着压电效应使机械和电域连接起来。

就石英晶体作为高Q谐振器的操作而言,石英晶体可能有一个电子信号,如无线电接收器中的信号,放置在它的对面。这被转化为机械振动。

石英晶体的机械性能作为一个非常高的Q谐振器。这个效应然后被转换回电域。总的结果是,它似乎在电路一个非常高的Q电滤波器是存在的。

在任何电子电路设计中,看到晶体的等效电路是很有用的,这样可以正确地完成电子设计。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

石英晶体使用

石英晶体有两种主要的应用形式:振荡器中的谐振元件和滤波器。在这两种应用中,石英晶体谐振器的高Q可以实现非常高的性能水平,这就是为什么它们被用于许多低成本时钟的通用电路设计以及更高要求的射频电路设计应用。

这些电子元件的一些用途及其缩写详列如下:

  • 振子:石英晶体的高Q意味着使用的振荡器能够提供非常高的精度和稳定性水平。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几种选择。

    • 晶体振荡器- XO:石英谐振器可以在简单的振荡器电路中非常简单地使用。由于基本石英谐振器相对便宜,它们经常被用作谐振器,例如用作微处理器时钟振荡器中的谐振器。

      计算机主板上的石英晶体谐振器——用来产生时钟频率
      用于PC主板的石英晶体谐振器

      一般来说,对这些振荡器的精度要求不是很高,因此使用石英晶体可以将成本保持在最低限度。当在这些应用中使用时,石英晶体比许多其他解决方案都要便宜,但性能并不好。显然,直接晶体振荡器也被用于许多其他领域。

    • 压控晶体振荡器VCXO:对于某些应用,振荡器频率可能需要小程度的改变。VCXO或压控Xtal振荡器相对容易构造。

      电路是直接的,通常涉及使用可变电压驱动晶体电路中的变容二极管。变容体电抗的变化改变了晶体及其相关电路的整体谐振频率。

      然而,由于晶体谐振腔的Q值很高,因此只能对频率进行相对较小的改变。这些电路可以自己建造,也可以作为商业模块提供。

      阅读更多关于. . . .VCXOs。

    • 温度补偿晶体振荡器TCXO:引起晶体振荡器频率变化的主要原因之一是温度的变化。如果需要比标准振荡器提供更多的频率稳定性,那么TCXO,温度补偿Xtal振荡器是一个选择。顾名思义,这种形式的振荡器适用于振荡器的温度补偿。尽管它们不具有与烤箱控制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的稳定性和性能水平。

      阅读更多关于. . . .TCXOs。

    • 烤箱控制晶体振荡器- OCXO:在频率稳定性要求最高的地方,最好的选择是烤箱控制晶体振荡器。称为OCXO:烤箱控制晶体振荡器,这种形式的晶体振荡器保持晶体及其相关的电路在一个温度控制的“烤箱”。这运行在一个高于环境温度,并保持在一个恒定的温度,而振荡器运行。这样,任何由温度变化引起的变化都被最小化了。

      阅读更多关于. . . .OCXOs。

  • 过滤器:石英晶体谐振器的另一个主要应用是在滤波器中。在这里,谐振器被用在电路中,用来接受需要的信号和拒绝不需要的信号。使用石英可以达到非常高的Q值,这意味着这些过滤器具有非常高的性能。

    石英晶体滤波器可能由一个单晶组成,但更复杂的滤波器提供更高水平的性能可能使用六个甚至八个晶体。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/设计师自己制造的。
SMD石英晶体
SMD石英晶体

石英晶体的优缺点

石英晶体技术提供了很多优点,但与之相对的是,在考虑它们的使用时,也有一些其他方面需要考虑:

石英晶体谐振器的优点:

  • 高Q谐振器:石英晶体的Q值很高。这反过来又反映出以下几个优点:
    • 在振荡器中使用时,信号非常稳定。
    • 在振荡器中使用时的低水平相位噪声。
    • 当用于过滤器时,它可以达到非常高的选择性水平。晶体滤波器能够提供优异的性能,并提供一些最佳的选择尖锐的过滤器在各种应用。
  • 低成本:基本晶体可以以非常合理的价格获得。当用作谐振器时,它们的使用通常会导致更便宜的时钟或其他源。高度特定的石英晶体谐振器显然成本更高。

石英晶体谐振器的缺点:

  • 大小:晶体的共振行为依赖于机械振动。因此,与其他SMT组件相比,尺寸不能轻易减小,可能会比较大。也就是说,新的表面贴装技术晶体现在可以在非常小的包。
  • 焊接:鉴于其性能,焊接时需要注意观察最高温度和焊接时间。
  • 固定频率:虽然这也是一个优势,但晶体有它自己的自然共振频率。一旦选择和制造这些就不能改变,尽管有可能“拉”一个振荡器的频率少量。

与任何技术一样,这些电子元件也有正负两面。了解这些问题及其带来的好处,可以在电子设计阶段充分利用它们。

SMD石英晶体在HC49封装
SMD石英晶体在HC49封装

石英晶体和振荡器时间线

自从压电效应和石英晶体作用的第一个迹象出现以来,它们的发展花了许多年才达到现在的阶段。

早期的研究证实了这一效应,而在无线电技术发展起来、石英晶体谐振器(xtal)的作用得以证明并加以改进之前,又过了好几年。

石英晶体谐振器的历史和时间:

石英晶体已成为当今电子产品的重要组成部分,提供了低成本的高性能谐振器。这些组成部分经过了多年的开发,许多人和组织参与了它们的开发。

阅读更多关于石英晶体的历史。

石英晶体谐振器是如何制成的

石英晶体谐振器大量生产。制造过程从原始硅开始,将其转化为合成石英,然后从那里制造单个石英晶体谐振器。一旦基本的石英晶体被制造出来,它们就会被修整,然后被封装。

在石英晶体谐振器制造过程的某些领域,一些元素与半导体制造有一些相似之处,尽管所制造的产品是非常不同的。

诸如蚀刻、沉积等过程都用于石英晶体的制造过程中。

阅读更多关于. . . .石英晶体谐振器制造。

指定石英晶体谐振器

在为一般电路设计或射频电路设计选择石英晶体谐振器时,需要选择许多参数。其中许多是晶体操作特有的,通常在其他电子元件中看不到。

通常制造商会要求一些参数,通常在他们能够制造和供应所需的晶体元素之前设定在一个特定的形式。

关于要选择的各种参数的决定可能取决于电路中的其他电子元件,或整个电子设计。

了解要选择的不同参数以及它们可能影响电子设计和其他电子元件选择的方式,可以确保做出正确的决策。

阅读更多关于. . . .如何指定石英晶体谐振器。


石英晶体谐振器在电子工业中广泛应用。它们可用于石英晶体振荡器和晶体滤波器,它们提供了极高的性能水平。此外,低成本、低公差规格的元件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。无论使用什么石英晶体谐振器,其生产成本提供了一个异常高的性能水平。

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