石英晶體振蕩器的物理原理

高永品 劉自考

摘 ? 要：石英晶體振蕩器（簡稱晶振）的諧振頻率f0主要由晶體自身參數(shù)決定，與外界因素幾乎無關，頻率穩(wěn)定度極高，應用比較廣泛。

關鍵詞：石英晶體振蕩器;構造;物理原理;諧振頻率;LC振蕩回路

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2015）9-0057-2

大家熟悉的LC正弦波振蕩器，最大的缺點是振蕩頻率很不穩(wěn)定，受到電源電壓、環(huán)境溫度變化、元件老化等外界因素的影響，諧振頻率f0就會發(fā)生改變?？墒鞘⒕w振蕩器（簡稱晶振）的諧振頻率f0主要由晶體自身參數(shù)決定，與電路中的其他元件、電源電壓、外界溫度等因素幾乎無關，所以頻率穩(wěn)定度極高。石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，常用于常見的電子設備，如石英鐘表、遙控器、彩電、電腦、手機中，作為振蕩電路中核心的諧振元件。

1 ? ?晶振的構造

晶振的結構非常簡單，它的核心是一塊石英晶體薄片。自然界中的石英是六角形的晶體，把晶體按一定的方位切割成薄片，就是石英晶片?？梢园阉谐烧叫?、矩形或圓形，在晶片的兩面敷上一層薄銀，再焊上兩根引線（圖1），封裝在金屬或塑料殼中，就制成了石英晶體振蕩器。

2 ? ?晶振的物理原理

石英是絕緣體，兩面是敷銀電極。這樣晶振不工作時就是一個典型的平行板電容器，它的電容量C0不大，一般只有幾皮法至幾十皮法。C0也是晶振的一個重要參數(shù)。但晶振在電路中并不是作為電容器使用的。石英晶體有個十分奇妙的特性：給晶片施加一個機械作用力，在石英晶片的相應方向上就會產生電場;反過來，在石英晶片的兩個電極之間外加一電場，晶片又會產生機械變形。這種物理現(xiàn)象叫晶體的壓電效應?，F(xiàn)給石英晶片兩極加上一個方向交變電壓，它就會產生機械振動，這個機械振動，又會使晶片產生交變的電場，只不過這種機械振動的振幅和交變電場的變化幅度都非常微小。只有在外加交變電壓的頻率等于某一特定頻率時，振幅才會急劇增大，這種現(xiàn)象叫壓電諧振。這個特定頻率稱為石英晶體的固有頻率或諧振頻率f0，f0是由晶片的尺寸和切割角度決定的。

3 ? ?晶振諧振頻率的計算

石英晶體在電路中相當于一個LC振蕩回路，它的等效電路如圖2。晶體振蕩時有一定的慣性和彈性，根據壓電效應，它的慣性可以等效為一個電感L，它的彈性可以等效為一個電容C，振蕩時的能量損耗可以等效為一個電阻R，這三個等效元件是串聯(lián)關系。晶片的靜態(tài)電容C0與L—C—R支路并聯(lián)，這就組成了一個諧振回路。根據諧振頻率f0的不同，它的等效電感L范圍在0.001～100 H;電容C的范圍在0.0002～0.1 PF;C0的范圍在10～100 PF;R一般不超過幾百歐。如果忽略電阻R，可以畫出石英晶體的阻抗-頻率特性曲線（圖3），它有兩個諧振頻率：一個是串聯(lián)諧振頻率f1，在f=f1時它的阻抗為零;一個是并聯(lián)諧振頻率f2，在f=f2時它的阻抗為無窮大。這兩個頻率的計算公式分別是：f1=，f2==f1。因為C0遠大于C，所以≈0，這樣可以得到f=f1=f2=f0。

雖然f1、f2并不相等，可是對于工作頻率為幾兆赫的石英晶體，它們的差值只有幾十到幾百赫茲。因此，可以認為石英晶體只有一個諧振頻率，也就是f0≈。

（欄目編輯 ? ?王柏廬）