我们从事硬件,应该使用晶体振动,上次写开关电源环的零极点,突然认为晶体振动是自己的振动,如果从环的角度来看,应该使用环不稳定的特性,产生自激振荡。
另外,我想到了以下问题:
那么当我们使用晶体时,电路环路的传输函数是什么呢?
为什么只有晶振的固有频率才能振荡?
为什么改变匹配电容可以改变频偏?
为什么有些晶振电路需要串电阻,有些没有?有些需要并联1M有电阻吗?
既然有兴趣,就借此机会梳理晶振的内容,从基础入手。
晶振分类
首先,晶振一般分为两种,一种叫做有源晶振,一种叫无源晶振。
晶体振荡器又称晶体振荡器,Oscillator;无源晶振有时也叫无源晶体,Crystal,晶体谐振器。至于哪个名字更专业,更准确,我觉得无需争论,名字只是代号而已,大家工作中沟通能知道说的是什么就行。
简单地说,有源晶体振动可以通过供电输出振荡信号,无源晶体必须增加额外的电路才能振荡。
以上分类是从上面使用的。假如我们只看晶振的内部结构,就会发现,有源晶振内部包含无源晶振,然后包含电阻、放大等电路,整体包装给我们。
关于晶体的内部结构,我在哔哩哔哩看到了一个非常清晰的拆卸视频。如果你感兴趣,你可以看到这个链接:
探索·拆解013 晶振大拆解 60年前晶振是什么样的? 5cm你见过大晶体吗?_哔哩哔哩_bilibili
有源晶体振动的内部结构包括无源晶体振动,因此,一般来说,有源晶体振动比无源晶体振动更昂贵。另一方面,只要我们了解无源晶体振动的特性,有源晶体振动几乎是一样的。毕竟,有源晶体振动可以被视为由无源晶体振动制成的特定电路。供电时,可输出振荡信号。
因此,我们只看无源晶振(晶体谐振器)
晶体谐振器结构
首先,晶体谐振器中的晶体是指二氧化硅SiO2.石英的特点是:热膨胀系数小,Q高值,绝缘。
石英可制成晶体谐振器,主要用于压电效应。压电效应分为正压电效应和逆压电效应,以下是百度百科的定义:
意思对应下图:
晶体结构示意图:
上图左边是晶体结构的示意图,右边是我们常见的晶体振动符号。两者很像吗?
根据对前压电效应的理解,晶体可以将电能转化为机械能,然后将机械能转化为电能。如果晶体通过交流电,它不会收缩或膨胀,这不是机械振动吗?
众所周知,机械振动物理尺寸和结构固定后,它通常有固有的振动频率。当外加信号的频率等于固有振动频率时,就会产生共振和谐振。
显然,晶体振动的频率应该是固有的振荡频率。从无源晶体也被称为晶体谐振器,这个谐振器,应该是这个意思。
除此之外,既然工作原理是机械振动,那么性能自然跟晶体的尺寸和结构非常大的关系。这个我也查了一下,确实如此
晶体振动频率与切片厚度、切割的关系
切割过程是从某个角度切割晶体坐标轴。切割类型有很多种,因为石英是不同的异性,所以不同的切割类型有不同的物理性质,切割方向和主轴的夹角对其性能有非常重要的影响,如:频率稳定性,Q值,温度性能等等。
有两种常见的切割类型,AT和BT切。
同种频率的晶振,AT切比BT切的温度系数要小,切片厚度要薄,但是Q值比BT切要低。下面是晶体频率同切片厚度,切割类型的关系:
晶振手册中,也会给出切割类型,不知道兄弟们有没有关注这个参数呢?
特殊的晶振---32.768Khz
从上面看出,AT切的20Mhz晶振的切片很薄,只有0.083mm,但是频率降低到32.768Khz,如果还是AT切的话,厚度就是0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。显然,这个尺寸太大了。
我们现实中看到的32.768khz的晶振显然是没有这么大的,所以可以肯定的是,32.768Khz的晶振肯定不是AT或是BT切,应该是别的方式。
32.768Khz一般是音叉的结构,就是下面这种:
我想,可能就是因为常规的AT,BT切片方式做不了低频的晶振(尺寸太大),所以这种32.768Khz这样的采用这种音叉结构。
这让我想起当年一开始使用32.768Khz晶振的时候,被迫选了个MC-146封装的,当时还觉得奇怪:别的晶振都能做成3225这种封装的,就你搞特殊,封装长这么奇怪。
小结
本节内容先写这么多吧,主要是查阅资料,总结了下晶振构造相关的,对于硬件设计来说,用处不是特别大,不过了解下也没坏处。
至于开篇提的几个问题,本节是一个问题也没回答,也不着急,后面总会说清楚的,我希望是慢慢从0开始,构建属于自己的知识体系,这样无论遇到什么问题,见过的,没见过的,总能有分析问题的思路。