石英晶体基本特性和等效电路:【图文讲解】

目录

0:石英晶体

1:基本特性

2:等效电路

3:谐振频率

3.1:串联谐振频率

3.2:并联谐振频率

4:电抗频率特性

5:总结


在日常项目中,我们经常会看到给MCU提供时间信号的晶振电路,有有源的,有无源的,有26M的24M的,还有32.768Khz的。今天我们主要来看看晶振电路中的石英晶体。

0:石英晶体

石英晶体主要由二氧化硅(SiO2)组成,属于硅酸盐矿物的一种,它的晶体结构由SiO4四面体组成,分子式为SiO2。这种结构使得石英晶体具有稳定的物理化学性质

石英晶体具有正、反两种压电效应。当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时,会在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷,呈现出电压。反之,当在垂直于电轴的两面上加交变电压时,晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形(伸张或压缩),称为机械振动。我们称之为压电效应

1:基本特性

石英晶体具有**"压电效应",**即在晶片两面加上电场,晶片就会产生形变。相反,若在晶片上施加机械压力,则在晶片的相应方向上会产生一定的电场。

因此,当晶片的两极加上交变电压时,晶体就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。若从外电路来看,这就相当于有一交变电流通过晶片。在一般情况下,晶体机械振动的振幅是非常小的,只有在外加交变电压的频率等于晶片的固有振荡频率时,产生共振。振动的振幅和交变电流才会突然增至最大,这种现象称为压电谐振,因此,石英晶体又称为石英谐振器。

2:等效电路

下图为晶体的等效电路和电路符号,为简单起见,我们只看左边的基频等效电路。因为在实际的振荡中,也会存在选频网络。所以我们只看基频就可以了。

当晶体不振动时:

它相当于一个平行板电容C0,称为静态电容,其值仅与晶片的尺寸有关,一般约为几pF到几十pF

当晶体振动时:

其等效电路应包含等效电感Lq,等效电容Cq各晶体振动时摩擦损耗的等效电阻Rq,它们的值分别为:

Lq ≈ 几毫亨(mH)

Cq ≈ 0.01到0.1pF之间

Rq ≈ 100Ω左右

由于石英晶体本身的固有振动频率很稳定,所以用它做成的振荡器,可获得很高的频率稳定度

3:谐振频率

从石英谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,一个是串联谐振频率fs,一个是并联谐振频率fp。

3.1:串联谐振频率

它是由Lq,Cq,Rq支路谐振时的频率。即:

3.2:并联谐振频率

由于Cq远小于C0,所以fs和fp是非常接近的。

4:电抗频率特性

从石英晶体的等效电路可以求出它的电抗频率特性,如下图,在fs和fp之间,呈感性,在此区域以外,呈容性

5:总结

因此,实际电路中,晶振电路中晶体我们可以等效为电感。 对外呈感性。

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