解析晶振的奥秘及其制作过程和关键特性

晶振究竟是什么？

基本解释：当我们谈论晶振时，我们实际上是指石英晶体振荡器，亦即晶体振荡器。

晶体振荡器是一种特殊的电子振荡电路，它依赖于所谓的逆压电效应。这一效应描述了当特定种类的材料受到电场作用时，它们会经历物理形态的改变。通过这种方式，振荡器通过压电材料产生的振荡来生成频率极为精确的电信号。

晶体振荡器的几大优点包括其出色的稳定性、高品质系数、紧凑的体积和经济的成本，这些特性让它在与其他种类的谐振器比如 LC 电路、陶瓷谐振器或转叉振荡器相比时显示出显著的优势。

晶振实物图

电路符号：晶振是电子电路中最常用的电子元件之一，一般用字母“X”、“G”或“Z”表示，单位为Hz，晶振的图形符号如图所示。

晶振的电路符号

晶振是怎么制成的？–如何从石英毛坯变成晶振？

石英毛坯在振荡电路中用作谐振元件，当受到电压电位的影响时，它将开始以其“基本频率”振动和振荡，这是一种相互关系：电路支持机械共振，反之亦然。晶体用于振荡器的反馈回路中，以限制振荡器的频率。

下图为从原始石英晶体材料到封装为最终晶振图。

从原始石英晶体坯料到封装为最终的晶振图

晶振内部是怎么样的？

如下图所示，整个晶体被金属外壳覆盖。

晶振内部图

拆下这个金属外壳后，我们可以看到一个像毯子一样的网，以保护晶体免受机械损坏。

晶振内部图

在下图中，我们可以看到外部金属外壳内的网状外壳和晶振放置在其中。

晶振内部图

去除金属覆盖物后，我们可以看到石英晶体板及其与外部电极的连接方式，如下图所示。

晶振内部图

晶振的工作原理

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

压电效应：若在石英晶体的两个电极上加上一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。

晶振的工作原理图（来源于网络）

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

晶振实物图

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个皮法到几十皮法。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

晶振的等效电路

在晶体振荡器中，晶体被适当地切割并安装在两个金属板之间，如图下图左边图所示。其电气等效如下图右边图所示。

实际上，晶体的行为就像一个串联 RLC 电路，由组件组成：

• 低阻值电阻 R S
• 大值电感 L S
• 小值电容器 C S

然后将与其电极 C p的电容并联。

晶振的等效电路图

**石英晶体的等效电路显示了一个串联**RLC**电路，它表示晶体的机械振动，与一个电容*Cp*并联，它表示与晶体的电气连接，石英晶体振荡器倾向于朝着它们的“串联谐振”运行。

晶振阻抗频率

晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中Cs在晶体工作频率下与电感Ls谐振。该频率称为晶体系列频率，ƒs。除了这个串联频率之外，当Ls和Cs与并联电容器Cp谐振时产生并联谐振，如下图所示，还建立了第二个频率点。

晶振阻抗频率图

上面晶体阻抗的斜率表明，随着频率在其端子上增加，在特定频率下，串联电容器Cs和电感器Ls之间的相互作用产生了一个串联谐振电路，将晶体阻抗降至最低并等于Rs，这个频率点称为晶体串联谐振频率ƒs，低于ƒs晶体是电容性的。

随着频率增加到该串联谐振点以上，晶体的行为就像一个电感，直到频率达到其并联谐振频率ƒp。

在这个频率点，串联电感Ls和并联电容器Cp之间的相互作用产生了一个并联调谐的 LC 谐振电路，因此晶体两端的阻抗达到了最大值。

因此，根据电路特性，石英晶体可以用作电容、电感、串联谐振电路或并联谐振电路，为了更清楚地说明这一点，我们可以·看下图晶体电抗与频率的关系。

晶振电抗频率

如下图所示，电抗与上述频率的斜率表明，频率ƒs处的串联电抗与Cs成反比，因为低于ƒs和高于ƒp晶体呈现电容性。

**在频率**ƒs**和*ƒp*之间，由于两个并联电容抵消，晶体呈现电感性。

晶振电抗频率图

串联谐振频率

根据下图的等效电路图可以得出串联谐振频率：

晶振等效电路图

串联谐振频率公式

并联谐振频率

当串联 LC 支路的电抗等于并联电容器的电抗Cp时，会出现并联谐振频率ƒp ，并给出如下：

并联谐振频率公式

石英晶体振荡器示例

石英晶体具有以下值：Rs = 6.4Ω，Cs = 0.09972pF，Ls = 2.546mH。如果其两端的电容，Cp测量为28.68pF，计算晶体的基本振荡频率及其次级谐振频率。

晶振串联谐振频率，*ƒ S：*

串联谐振频率计算

晶振的并联谐振频率，*ƒ P：*

并联谐振频率计算

可以看到，晶振的基频 ƒs 和ƒp之间的差异很小，约为 18kHz (10.005MHz – 9.987MHz)。然而，在这个频率范围内，晶体的 Q 因子（品质因数）非常高，因为晶体的电感远高于其电容或电阻值。

晶体振荡器 Q 因子：

晶振在串联谐振频率下的 Q 因子为：

晶体振荡器Q因子

晶体示例的 Q 因子约为 25,000，是因为这种高X L / R比率。

大多数晶体的 Q 因子在 20,000 到 200,000 之间，良好的 LC 调谐槽路电路将远小于 1,000。

这种高 Q 因子值还有助于晶体在其工作频率下的更高频率稳定性，使其成为构建晶体振荡器电路的理想选择。

已经看到石英晶体的谐振频率与电调谐 LC 谐振电路的谐振频率相似，但Q因子要高得多，这主要是由于其低串联电阻Rs。因此，石英晶体是振荡器特别是高频振荡器的绝佳组件选择。

典型的晶体振荡器的振荡频率范围可以从大约 40kHz 到远高于 100MHz，具体取决于它们的电路配置和使用的放大设备。晶体的切割也决定了它的行为方式，因为一些晶体会以一种以上的频率振动，从而产生称为泛音的额外振荡。

此外，如果晶体的厚度不平行或不均匀，它可能具有两个或多个谐振频率，都具有产生所谓的谐波的基频和谐波，例如二次或三次谐波。

影响晶振振荡频率的主要因素

工作点变化

我们之前已经了解过晶体管，并且知道了工作点的重要性，对于晶振来说，这个工作点的稳定性需要更高的考虑。

使用的有源器件的操作被调整到其特性的线性部分，该点由于温度变化而移动，因此稳定性受到影响。

温度变化

振荡电路中的振荡电路包含各种元件，例如电阻、电容和电感。它们的所有参数都取决于温度，由于温度的变化，它们的值会受到影响，这就会影响到振动电路频率的变化。

电源影响

供电功率的变化会影响频率，电源变化导致V cc变化，从而影响所产生的振荡频率。

为了避免这种情况的发生，实施了稳压电源系统，简称为 RPS。

输出负载变化

输出电阻或输出负载的变化会影响振荡器的频率。当连接负载时，储能电路的有效电阻会发生变化。

LC调谐电路的Q因数发生了变化，这就会导致振荡器的输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在二极管和晶体管等 PN 结材料中产生的电容，这些是由于它们在操作过程中存在的电荷而产生的。

由于温度、电压等各种原因，元件间电容会发生变化。不过这个问题可以通过跨过有问题的元件间电容连接 电容来解决。

Q值

振荡器中的 Q（品质因数）值必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于该 Q 与调谐电路的频率稳定性成正比，因此 Q 值应保持较高。

如果Q值的变化，将会影响到频率稳定性。

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