石英晶体谐振器的用途及类型

    石英晶体振荡器(英文名称Crystal)简称晶振,严格来讲,它应该是石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称,不过由于在消费类电子产品中石英晶体谐振器的应用更多,所以一般的概念中已把晶振等同于谐振器理解了。石英晶体振荡器是一种利用石英晶片的压电特性制作而成的电谐振元件,在电路中常用于稳定频率和选择频率石英晶振的突出优点在于,用它所构成的振荡器的频率十分准确且稳定,是目前其他类型的振荡器所不能替代的。
    作为一种线性、无源被动元件,石英晶体振荡器在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通信、无线遥控装置、数字仪表、计算机、家电单片机和电子钟表等设备中得到了广泛的应用

    结构及特点
    常见金属外壳石英晶体振荡器的内部结构如图35-1所示。从一块石英晶体(二氧化硅的结晶体)上按一定方位角切得薄晶片(可以是正方形、矩形或圆形等),在晶片的两个对应表面上涂敷上银层,引出一对电极,再将晶片部分密封在金属(或塑料、玻璃、陶瓷)外壳内,就构成了一个普通石英晶体振荡器。
石英晶体谐振器的基本结构图
    石英晶体振荡器之所以能作为谐振器,是基于它具有的“压电效应”特性若在石英晶体振荡器的两个电极间加上一电压,石英晶片的两个银层面间就会形成电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片两侧施加上机械压力,则在晶片相应的方向上会产生电场,这种现象称为压电效应。如在石英晶体振荡器两电极间所加的是交变电压,石英晶片就会产生机械变形振动,同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说,这种机械振动的振幅比较小,但其振动频率却很稳定。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(取决于晶片切割方式、几何形状、尺寸等)相同时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似石英晶体振荡器的特点是具有很高的品质因数(Q值),它有串联和并联两种基本谐振现象,可构成灵活多样的振荡电路  由石英晶体振荡器组成的振荡器与普通LC回路构成的振荡器相比较,其最大特点是频率稳定度极高。石英晶体振荡器的Q值高达104~106,其振荡频率几乎取决于晶片尺寸,稳定度可达10-6~10-8,一些产品甚至高达10-10~10-11。,而最好的LC振荡电路的Q值只能达到几百,振荡频率的稳定度也只能达到10-5可见,石英晶体振荡器的稳定性是LC回路等所不能相比的。

    外形和种类
    常用石英晶体振荡器按外形不同,可分为图35-2 (a)所示的圆柱型、扁圆型、方型和贴片型等几种;按外壳封装材料不同,可分为图35-2 (b)所示的金属外壳和塑料外壳两种(另有玻璃外壳和陶瓷外壳,不过很少见到);按引脚电极数目区分,有图35-2 (c)所示的二端型(普通石英晶体振荡器)和三端型(组合有两个电容器的石英晶体振荡器或增加了一条金属外壳引脚的石英晶体振荡器)、四端型(外形与有源石英晶体振荡器相同,但其中两个引脚空悬着的无源石英谐振器)等几种。
常用石英晶体谐振器的分类
   如果按照用途来区分,有通用型石英晶体振荡器、时钟脉冲用石英晶体振荡器、微处理器用石英晶体振荡器和钟表用石英晶体振荡器等几种;如果按频率精度和稳定度来划分,有普通型、中精度型和高精度型3种,其频率稳定度分别可达10-510-610-8。高精度石英晶体振荡器的壳内多带有恒温槽,能够进行温度补偿.如国产BA12型高精度石英晶体振荡器的频率稳定度高达  10-11,可用于产生基准频率或标准时间。

    主要参数
    反映石英晶体振荡器产品性能的主要参数有如下几项,使用者应了解和掌握。
    ①标称频率。这是石英晶体振荡器技术条件中规定的频率,通常标志在产品的外壳上。注意:该参数与实际工作频率——石英晶体谐振器与工作电路共同产生的频率,往往有一些出入。
    ②调整频差。指在规定的条件和基准温度( 25℃±2)下,产品工作频率相对于标称频率所允许出现的偏差值。
    ③总频差。指在规定的条件下,某温度范围内的工作频率相对于标称频率的最大偏离值,即频率偏移。
    ④温度频差。也称频率漂移,它是指在规定的条件下,石英晶体振荡器的工作频率在工作温度范围内相对于基准温度(  25℃±2)所出现的偏差值,它代表了该产品的频率温度特性。
    ⑤老化率。指在规定条件下,石英晶体振荡器的工作频率随着时间而出现的相对变化.,通常在以年为时间单位衡量时,称为年老化率。
    ⑥负载电容。指与石英晶体振荡器一起决定负载谐振频率的有效外界电容.,通常负载电容CL的值是直接由厂家提供的,其常用的标称值为8pF. 12 pF、15pF、20pF、30pF.50pF、100pF-在应用石英晶体振荡器时,满足石英晶体振荡器外接电容器等于负载电容CL这个条件,振荡频率才会与标称频率一致。显然,通过调整“负载电容”一般可以将振荡电路的工作频率调整到标称值。
    ⑦负载谐振电阻。指石英晶体振荡器与指定的外部电容器相串联或并联,在谐振频率下所呈现出的等效电阻。
    ⑧激励电平。也称激励功率,它是指石英晶体振荡器在工作时所消耗的有效功率,有时用流经石英晶振的电流表示。在振荡回路中,激励电平应大小适中,既不能过激励(容易振动在高次谐波上),也不能欠激励(不容易起振)。常见的激励电平有2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等。

    型号命名
    国产石英晶体振荡器的型号一般由3部分组成,其格式和含义如图35-3所示。第1部分用字母表示外壳材料,如“J”表示金属壳,  “S”表示塑料壳,  “C”表示陶瓷壳,  “B”表示玻璃壳。第2部分用字母表示石英晶片切割方向,如“A”表示AT切割、“B”表示BT切割、“C”表示CT切割、“D”表示DT切割、“E”表示ET切割、“F”表示FT切割、“H”表示HT切割、“U”表示wx切割……第3部分用阿拉伯数字表示产品的主要技术指标及外形尺寸等,如用“1”表示圆形外壳,用“5”或“8”表示矩形外壳。例如,JA5表示产品为AT切割矩形金属壳谐振晶体;JF6.000为FT切割方式、金属外壳、谐振频率为6MHz的谐振晶体(可用在单片机时钟电路中);JA18A为AT切割方式、金属外壳、硬脚谐振晶体(频率4.43MHz的可用于彩电中)。还有的石英晶体振荡器在型号的最后面缀上字母,表示产品标称频率的总误差或温度误差等级,如JA94A、JA96A型等。
国产石英晶体谐振器的命名规则
    实际上,许多厂家生产的石英晶体振荡器,其型号命名规则是各自制定的,而且从产品的型号上是无法看出它的主要参数的。通常除了标称频率一般都标识在产品外壳上以外,其他具体参数就只能通过查阅产品手册或厂家说明书才能获得。表35给出了一些常用国产石英晶体振荡器的型号及性能参数,仅供参考。
表35几种国产石英晶体振荡器的性能参数
型号 标称频率
(KHZ)
调整频差
(×10-5)
负载电容
(pF)
激励电
平(Mw)
谐振电
阻(Ω)
工作温度
(℃)
用途
  JA12 200~500 ±200   2     -10 ~ 70 电遥控
器等
 JA22     14 .  12.
 18. 20
4 ≤90  -10 ~ 60 彩色电
视接收
机专用
 JA18A 4433.619   12 1
 JA18B   ≤70
  JA24     14. 12.
18. 20. 30
≤60
 JA18C 8867.238   20
  JA40 4194.304   30 1或2 ≤80  -10 ~ 60 石英电子
钟专用
  JA42   10、12、
18、20
≤100  
  JA44 26~30KHZ ±50 2 ≤40  -10~50 通用型
 JA44A 3次泛音 20 ≤50
 JA44B 49~50MHZ ±30 ≤40
 JA44C 3次泛音 20 ≤50
JAl (308) 32.768   8、10、12 1 30K  -10~60 石英电子
手表专用
JA2(206)   5、15、20 40K
JUl (308) 32.768 ±20、
±30、
±50
8、10、
 12.5、15、20
〈1 ≤30  -10~60 石英电子
钟表等
JU2(206) ±30、
±50
≤50
JA45 80~200 ±200   2    -10~70 普通低频
振荡电路

    产品标识
    常用石英晶体振荡器由于外形跟其他元器件有着较为明显的差别,所以看外观大体上就能识别出来。石英晶体振荡器的外壳上一般都会标出标称频率,如图35-4( a)所示。其中,带有小数点的频率单位为兆赫兹( MHz),如315.00、27.145等。不带小数点的频率单位为千赫兹( kHz),并且在数字后一般多标有字母K,如32768、455K等。
    石英晶体振荡器的频率数字下方或上方有字母标号时,一般为厂商的标记。如图35-4(b)中的“TQG”代表TQG公司。体积较大的石英晶体振荡器,在外壳上面还标出了产品型号,如图35-4 (c)所示。
    根据引脚数量,可确定出二端型、三端型和四端型石英晶体振荡器,如图35-4 (d)所示。对于普通二端型产品,其两个引脚无极性之分  多端产品的引脚排列没有统一规定,应查阅产品手册或厂家说明书进行区分。有些二端型石英晶体振荡器的金属外壳专门
引出了一根接地线,如图35-4 (e)所示,使得产品引脚总数达到3脚。贴片式二端型石英晶体振荡器(即石英晶体谐振器)分为二脚和四脚,一般四脚贴片的对脚为有效脚,如图35-4(f)所示,剩下的两对悬空脚(相通)可以作为接地,也可以悬空不用。
石英晶体谐振器的识别方法

   电路符号
    石英晶体振荡器在电路图中的表示符号见图35-5。注意:其图形符号与压电陶瓷片的图形符号相同。石英晶体振荡器的文字符号常用“×”来表示,有时也用“Y”或“G”、  “Z”等字母来表示。当同一个电路图中出现多个石英晶体振荡器时,可按习惯在文字符号后面加上数字编号,以示区别。
石英晶体谐振器的电路符号
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