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石英震盪器原理

1. 石英晶片本身為一壓電材料(Piezoelectric Material),利用外電壓加於晶片的兩側產生電場,由於壓電材料本身機械與電性耦合(Coupling)作用,使晶體產生機械變形,且晶體的切割面受到機械應力的作用,晶體的兩相對面又會產生一電位差,這種特性稱為壓電(Piezoelectric)效應。當我們加一交流電壓於晶體上,即可產生循環不已之晶片振盪;振盪的頻率會依晶體的不同而異,石英晶體切割片愈薄,切割技術愈困難,但諧振頻率愈高。
2. 石英晶體的壓電效應:當向晶體軸方向施加壓力時,在石英盤上會產生電氣變化;相反,當向石英盤上施加壓力時,石英晶體內部會發生變形扭曲,稱為石英晶體的壓電效應(如圖一)。當受力變形時內部產生極化現象,同時在兩個表面產生相異電荷,外力去掉後,又恢復到不帶電狀態,這叫壓電效應。當作用力方向改變時,電荷極性隨之改變,這種現象稱為「正壓電效應」;相反,當在電介質極化方向施加電場,這些電解質也會產生幾何變形,這種現象稱為「逆壓電效應」。
3. 晶體等效電路:由動態電容 C1、動態電感 L1、串聯電阻 R1 和靜態電容 C0 組成, 圖二中顯示了石英晶體的等效電路圖,以解釋控制晶體特性和性能的基本元素;前三個參數被稱為石英晶體元件的“動態參數”。

晶體振盪器基本迴路

1. 一個並聯振盪線路使用一個Crystal,此Crystal之工作中心頻率需要與某一個指定之負載電容值來搭配。
2. 圖三之振盪迴路使用一個 inverter 以及使用兩個電容(CL1,CL2 )來做迴受線路;這兩個電容組合成負載電容與 Crystal 做搭配,使之產生振盪頻率。
3. 圖三振盪迴路中之 Rf 為 Feedback Resistor。
4. 圖三振盪迴路中之 Rd 為 Damping Resistor;此電阻對 Drive Current 有極大影響,所 以需要多注意此電阻值之大小。

石英晶體搭配線路設計

1.負載電容
石英諧振器一般作為電感元件在振盪電路中起穩定頻率作用,而電路的其他元件均可等效為一個負載電容與石英諧振器串聯或並聯,負載電容不同會影響頻率偏移,因此建議設計時必須針對產品實際的負載電容量測,以確定是否符合搭配線路設計。負載電容計算方式如圖四。
註:雜散電容 (Capacitance Stray)指包含IC內部的雜散容值、Layout佈線間的電容量、PCB板各層間的寄生電容等等因素。

2.負性阻抗
為了振盪迴路之穩定,設計者可以參考如圖五的線路來測試板子上的負性阻抗;將Crystal 的一邊接上可調式電阻(VR),當可調式電阻(VR)值達到某一個阻值時,振盪器停振,這個值就是負性阻抗值(-R);一般負性阻抗值(-R)建議為振盪器內阻的 3 倍以上,以符合線路上負性阻抗規格設計。