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石英晶体基础理论

•石英晶体特性

  石英是一种压电材料,被发觉是自然界所产生的透明结晶物 ,它所展现的是非常稳定的压电效应,从化学与机械上的特性在早期的电子实验引起了极大的关注。
  石英的主要成份为二氧化硅,虽然地壳表面有14%是由SiO2二氧化硅所组成的,但相对可使用部份是较稀少的,是因为需要的纯度不足以及其缺陷与瑕疵。
  晶体元件具备着组成一极高稳定性频率产生电路的能力。其振荡模式及角度方位如表1,它支配着晶体的特性,如等效电路参数、频率、温度特性、负载电容特性及频率老化等。从使用的观点而言,这些特性是极重要的,将叙述如下。 
  厚度切变振荡模式已广泛的被使用,其谐振频率是由晶片厚度决定,像AT,BT切角;调谐音叉振荡模式则由晶片长度来决定频率之高低。表1所示不同的振荡模式决定于切割角度、频率范围、厚度或长度及频率与曲率常数之间的关系。

 
  石英晶体的谐振频率通常是由组合振荡模式之振动片尺寸来决定的。振荡晶体的等效电路有益于说明支配晶体性能的基本概念。
如图2所示,晶体等效电路所表示的如下:
L1:动态电感(机械振荡) 

C1:动态电容(机械弹力) 

R1:串联电阻(能量损耗) 

Co(静电容) Co=Ct-CL(静电容为平行于电极之间再加上两引线间之杂散电容) 
 
  负载电容CL是跨接在振荡电路上集晶体座与分布电容之总合,这是决定晶体在振荡电路上的条件因素,在晶体使用范围其功能被视为感抗,也就是说振荡电路所呈现的是一个负电阻-R及一个电容CL串接在电路上,这电容称为“负载电容”。负载电容与频率的关系是非线性的。当电容量小时频率变化量大,但当电容量加大时,其频率变化量就变小。在电路上,若负载电容量减小而使振荡频率有很大的宽限,这时频率稳定性将受到极大的影响,即便是微量的改变。
 
•振荡电路之等效回路
  晶体在振荡电路上被视为一感抗:如图4所表示的,为要改善振荡电路的起振条件,最佳方法就是增加振荡电路的负电阻值-R,如果振荡电路的负电阻值不足,那将会使晶体谐振电阻过大,导致晶体起振条件差,因此振荡电路在设计时需要使负电阻值大于谐振电阻的5到10倍。
 
Fig.4:振荡电路之等效回路

•AT切频率温度特性
  温度系数是晶体谐振频率在温度变化时的稳定性或偏差量振荡模式、轴向与晶棒平面的关系、晶片的尺寸及谐波都是决定温度系数的因素。
   AT切割所表现三次方程式的频率对温度特性曲线,是目前最通用的,它显示最优质之宽温范围下的频率稳定性。晶片的切割角度是在正常的工作温度范围内被要求频率的容许误差。事实上,晶片在切割、抛光的连续加工过程中,都会因加工的精度导致切割的散乱。

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