本次了解重點:
1.壓電效應的數學描述
2.生產工藝以及關鍵工序
3.電路設計部分如負阻原理和匹配電容計算
4.失效案例比如冷啟動問題
5.新形態晶振技術引入5G和量子計算
6.溫補晶振的補償機制
7故障案例講解-更換負載電池或增加預熱電路
藍牙音頻斷續-頻偏導致
工控機死機-起振電壓不足
氣象站數據飄逸-TCXO溫補失效
核心本質:利用石英晶體的壓電效應和機械諧振特性,產生極其穩定的頻率基準。
深入解析:
-
物理基石:石英晶體與壓電效應
- 材料: 使用人造或天然石英晶體(SiO?)。其晶體結構具有高度有序性和穩定性。
- 壓電效應:
- 正壓電效應: 對晶體施加機械應力(擠壓或拉伸)時,晶體表面會產生電荷(電壓)。
- 逆壓電效應: 在晶體表面施加交變電壓時,晶體會產生機械形變(振動)。
- 關鍵聯系: 這兩種效應是可逆的。當施加交變電壓時,晶體產生機械振動;這個振動反過來又通過正壓電效應產生交變電壓。如果外加電壓的頻率恰好等于晶體固有的機械諧振頻率,就會發生強烈的諧振。
-
諧振原理:等效電路模型 (RLC)
一個石英晶體諧振器可以用一個復雜的等效電路來精確描述其電氣特性:- 動態支路 (L1, C1, R1): 代表晶體的主諧振特性。
- L1 (動態電感): 非常大 (mH 到 H 級),代表晶體的振動質量。這是晶振高Q值的關鍵。
- C1 (動態電容): 非常小 (fF 級),代表晶體的機械彈性。
- R1 (動態電阻/等效串聯電阻 - ESR): 代表諧振時的能量損耗(摩擦、發熱等)。值越小越好,Q值越高。
- 串聯諧振頻率 (Fs): 當 L1 和 C1 發生串聯諧振時的頻率。
Fs = 1 / (2π√(L1*C1))
。在此頻率下,阻抗最小(近似為 R1),表現為純電阻。
- 靜態電容 (C0): 代表晶體兩個電極之間以及封裝引線等形成的寄生電容 (pF 級)。它始終存在,并聯在動態支路上。
- 并聯諧振頻率 (Fp): 當動態支路的感抗與靜態電容 C0 的容抗在某個頻率上發生并聯諧振(阻抗最大)時的頻率。
Fp ≈ Fs * (1 + 0.5 * (C1 / C0))
。由于 C1 << C0,所以 Fp 略高于 Fs。 - 關鍵點?
- 動態支路 (L1, C1, R1): 代表晶體的主諧振特性。