準確的時間是我們認為理所當然的大部分技術的最基本要求之一,但我們有多少人停下來考慮使我們擁有它的組件?當我們的微處理器和其他數字電路需要經濟實惠,已知且穩定的時鐘頻率時,石英晶振是我們的首選標準.也許是時候我們仔細看看它了.
無線電頻率的第一個電子振蕩器依賴于具有電感器和電容器的調諧電路的電氣特性,以保持它們的頻率.調諧電路便宜且易于生產,但其頻率穩定性受外部因素(如溫度和振動)的影響很大.因此,使用調諧電路的RF振蕩器可以在其操作期間漂移許多kHz,并且不能依賴其定時.早在計算機需要精確計時之前,20世紀20年代和30年代的無線電發射機需要保持頻率,并且必須保持相當大的努力以使調諧電路發射機保持在目標上.石英晶體正在等待,為我們節省了這筆費用.
良好的振動
調諧電路頻率穩定性問題的解決方案是使用貼片晶振,這是一種諧振元件,其物理特性比電感器或電容器對外部因素(如溫度)的影響要小得多.石英晶體是壓電的,也就是說,當你使它們變形時,它們會產生電荷,當向它們施加電荷時,它們又會變形.因此,您可以在精心切割的石英晶體中電氣設置物理振動.正如調諧叉,鑼和其他彈性固體可以顯示物理共振一樣,晶體可以用作電諧振器.

石英晶體的電等效模型是與電容器并聯的串聯調諧電路,具有并聯和串聯調諧電路的一些特性.它與由傳統元件制成的調諧電路的不同之處在于具有極高的Q因子或窄帶寬.它可以以與調諧電路相同的方式結合在石英晶體振蕩器的反饋電路中,然后振蕩器將以其諧振頻率快速運行.
堅如磐石
實用的晶體采用精密研磨的圓盤或合成石英晶片的形式,兩側都有化學沉積的金屬電極.它們安裝在密封的包裝中以確保其穩定性.
有許多晶體振蕩器配置,但如果使用數字電路,最可能遇到的電路是Pierce振蕩器.您會發現它是使用離散邏輯門以及眾多微處理器和其他IC實現的.晶體配置有一對電容器和一個高值偏置電阻器,作為從反相器輸出到輸入的相移網絡.其中一個電容器有時可以并聯一個小的可變電容器,允許進行非常小的頻率調整以校正各個晶體的容差.在晶體的共振頻率下,晶體上需要180度的相移以維持振蕩.

這是所有在Overtones
石英晶體的共振頻率與其尺寸成比例.隨著晶體變薄,頻率增加.最終隨著頻率的增加,在沒有晶體破裂的情況下,材料的厚度不能進一步減小,因此存在不能制造晶體的上限頻率.它取決于所采用的技術,但通常在20MHz晶振以上.
當然,你會指出晶體可以在這個頻率上多次使用,那么它是什么?答案是高于該數字的晶體頻率是通過諧波泛音實現的.低于20MHz的頻率僅僅是基本諧振,其他諧振可以在基頻的倍數處在同一晶體中實現.通過系繩中的駐波,或者如圖所示的封閉管的聲學特性,可以容易地證明這種效果.
在實踐中,設計用于泛音的晶體將在其基頻的奇數倍處具有共振.因此,例如具有10MHz基頻的泛音晶振也將在30MHz和50MHz處具有泛音諧振.

在上面顯示的皮爾斯電路中放置一個泛音晶體不會導致它以泛音頻率振蕩,而是會在其基頻上運行.泛音振蕩器必須包含一個額外的調諧電路,用于抑制基頻,留下最突出的諧波諧振來決定振蕩頻率.在我們的CMOS振蕩器邏輯應用筆記示例中,逆變器輸出網絡中的電感執行此任務.
除振蕩器外還有另一種功能,您可能會遇到晶體.在無線電電路中,它們極窄的帶寬意味著它們可以菊花鏈式連接,以制作極具選擇性的濾波器.產生單邊帶傳輸的一種方法是利用足夠窄的晶體濾波器從雙邊帶抑制載波AM信號中提取一個邊帶.

當你需要一個水晶控制的時鐘時,你可能會找到一個現成的普通有源晶振模塊,永遠不需要創建自己的晶體振蕩器模塊.當您需要更高頻率的時鐘時,您將使用具有鎖相環的時鐘發生器芯片,因此您永遠不需要制作泛音振蕩器.但是,對于任何常用組件而言,在基礎知識方面具有基礎并沒有任何害處,晶體也不例外.

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