石英晶体振荡器的物理原理

高永品 刘自考

摘   要：石英晶体振荡器（简称晶振）的谐振频率f0主要由晶体自身参数决定，与外界因素几乎无关，频率稳定度极高，应用比较广泛。

关键词：石英晶体振荡器;构造;物理原理;谐振频率;LC振荡回路

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0057-2

大家熟悉的LC正弦波振荡器，最大的缺点是振荡频率很不稳定，受到电源电压、环境温度变化、元件老化等外界因素的影响，谐振频率f0就会发生改变。可是石英晶体振荡器（简称晶振）的谐振频率f0主要由晶体自身参数决定，与电路中的其他元件、电源电压、外界温度等因素几乎无关，所以频率稳定度极高。石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，常用于常见的电子设备，如石英钟表、遥控器、彩电、电脑、手机中，作为振荡电路中核心的谐振元件。

1    晶振的构造

晶振的结构非常简单，它的核心是一块石英晶体薄片。自然界中的石英是六角形的晶体，把晶体按一定的方位切割成薄片，就是石英晶片。可以把它切成正方形、矩形或圆形，在晶片的两面敷上一层薄银，再焊上两根引线（图1），封装在金属或塑料壳中，就制成了石英晶体振荡器。

2    晶振的物理原理

石英是绝缘体，两面是敷银电极。这样晶振不工作时就是一个典型的平行板电容器，它的电容量C0不大，一般只有几皮法至几十皮法。C0也是晶振的一个重要参数。但晶振在电路中并不是作为电容器使用的。石英晶体有个十分奇妙的特性：给晶片施加一个机械作用力，在石英晶片的相应方向上就会产生电场;反过来，在石英晶片的两个电极之间外加一电场，晶片又会产生机械变形。这种物理现象叫晶体的压电效应。现给石英晶片两极加上一个方向交变电压，它就会产生机械振动，这个机械振动，又会使晶片产生交变的电场，只不过这种机械振动的振幅和交变电场的变化幅度都非常微小。只有在外加交变电压的频率等于某一特定频率时，振幅才会急剧增大，这种现象叫压电谐振。这个特定频率称为石英晶体的固有频率或谐振频率f0，f0是由晶片的尺寸和切割角度决定的。

3    晶振谐振频率的计算

石英晶体在电路中相当于一个LC振荡回路，它的等效电路如图2。晶体振荡时有一定的惯性和弹性，根据压电效应，它的惯性可以等效为一个电感L，它的弹性可以等效为一个电容C，振荡时的能量损耗可以等效为一个电阻R，这三个等效元件是串联关系。晶片的静态电容C0与L—C—R支路并联，这就组成了一个谐振回路。根据谐振频率f0的不同，它的等效电感L范围在0.001～100 H;电容C的范围在0.0002～0.1 PF;C0的范围在10～100 PF;R一般不超过几百欧。如果忽略电阻R，可以画出石英晶体的阻抗-频率特性曲线（图3），它有两个谐振频率：一个是串联谐振频率f1，在f=f1时它的阻抗为零;一个是并联谐振频率f2，在f=f2时它的阻抗为无穷大。这两个频率的计算公式分别是：f1=，f2==f1。因为C0远大于C，所以≈0，这样可以得到f=f1=f2=f0。

虽然f1、f2并不相等，可是对于工作频率为几兆赫的石英晶体，它们的差值只有几十到几百赫兹。因此，可以认为石英晶体只有一个谐振频率，也就是f0≈。

（栏目编辑    王柏庐）