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晶振的构造及工作原理

发布人:yingjian时间:2022-06-22来源:工程师

咱搞硬件的,应该都使用过晶振,上次写开关电源环路的零极点的时候,忽然想到晶振是自己起振的,如果从环路的角度看,应该就是利用的环路不稳定的特性,产生自激振荡。

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    除此之外,我又想到下面这些问题:

    那么我们使用晶体的时候,电路的环路的传递函数是怎么样的呢

    为什么只有晶振的固有频率能振荡起来?

    为什么改变匹配电容,就能改变频偏?

    为什么晶振电路有的要串电阻,有的没有?有的要并联1M电阻,有的没有?


    既然有了兴致,那就借这个机会把晶振的内容好好梳理一下,先从基础开始吧。


晶振分类

    

    首先,晶振一般分为两种,一种叫有源晶振,一种叫无源晶振。

    

    有源晶振也叫晶体振荡器,Oscillator;无源晶振有时也叫无源晶体,Crystal,晶体谐振器。至于哪个名字更专业,更准确,我觉得无需争论,名字只是代号而已,大家工作中沟通能知道说的是什么就行。

    

    简单说有源晶振自己供上电就能输出振荡信号,无源晶体必须额外增加电路才能振荡起来。
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    以上分类是从使用上面来说的。如果我们单看晶振的内部构造,就会发现,有源晶振内部是包含了一个无源晶振,然后再将阻容,放大等电路也包含进去,整体封装好再给我们用。

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    关于晶体内部结构,我在B站上看到一个非常清晰的拆解视频,有兴趣可以看看,链接是这个:

    https://www.bilibili.com/video/BV1D5411L7aG

    有源晶振内部构造包含了无源晶振,所以,一般来说,有源晶振是比无源晶振是要贵的。另外一方面,我们只要了解了无源晶振的特性,有源晶振也就差不多了,毕竟,有源晶振可以看成是无源晶振做成的一个具体电路,供上电,就能输出振荡信号了。

    所以,下面我们就只看无源晶振(晶体谐振器)

晶体谐振器构造


    首先,晶体谐振器里面的晶体,是指的石英晶体,化学式是二氧化硅SiO2。石英的特点是:热膨胀系数小,Q值高,绝缘。

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    石英可以做成晶体谐振器,主要是利用了压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应,以下是百度百科的定义:
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    意思对应下图:
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    晶体的构造示意图:
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    上图左边是晶体构造的示意图,右边是我们常见的晶振的符号,二者是不是很像?

    根据对前面压电效应的理解,晶体可以将电能转化为机械能,然后机械能又能转化为电能。如果给晶体通上交流电,那不就是一会收缩,一会儿膨胀,这不就是机械振动吗?


    我们知道,机械振动的物理尺寸和结构固定之后,它本身一般就有一个固有的振动频率。当外加信号的频率与固有振动频率相等时,就会发生共振,产生谐振现象。

    显然,晶振的频率,说的就应该是这个固有振荡频率。再从无源晶体也叫“晶体谐振器”,这个“谐振”,应该就是这个意思吧。

    除此之外,既然工作原理是机械振动,那么性能自然跟晶体的尺寸和结构非常大的关系。这个我也查了一下,确实如此

    晶振频率与切片厚度,切割工艺的关系


    切割工艺,就是对晶体坐标轴某种角度去切割。切型有非常多的种类,因为石英是各向异性的,所以不同的切型其物理性质不同,切面的方向与主轴的夹角对其性能有非常重要的影响,比如:频率稳定性,Q值,温度性能等等。
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    常见的切割类型有两种,AT和BT切。

    同种频率的晶振,AT切比BT切的温度系数要小,切片厚度要薄,但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度,切割类型的关系:
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    晶振手册中,也会给出切割类型,不知道兄弟们有没有关注这个参数呢?

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特殊的晶振---32.768Khz


    从上面看出,AT切的20Mhz晶振的切片很薄,只有0.083mm,但是频率降低到32.768Khz,如果还是AT切的话,厚度就是:

    0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

    显然,这个尺寸太大了。

    我们现实中看到的32.768khz的晶振显然是没有这么大的,所以可以肯定的是,32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切,应该是别的方式。

    32.768Khz一般是音叉的结构,就是下面这种:
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    我想,可能就是因为常规的AT,BT切片方式做不了低频的晶振(尺寸太大),所以这种32.768Khz这样的采用这种音叉结构。

    这让我想起当年一开始使用32.768Khz晶振的时候,被迫选了个MC-146封装的,当时还觉得奇怪:别的晶振都能做成3225这种封装的,就你搞特殊,封装长这么奇怪。
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小结


    本节内容先写这么多吧,主要是查阅资料,总结了下晶振构造相关的,对于硬件设计来说,用处不是特别大,不过了解下也没坏处。

    至于开篇提的几个问题,本节是一个问题也没回答,也不着急,后面总会说清楚的,我希望是慢慢从0开始,构建属于自己的知识体系,这样无论遇到什么问题,见过的,没见过的,总能有分析问题的思路。


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关键词: 晶振

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