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石英谐振器

/quartz resonator/
条目作者秦自楷

秦自楷

最后更新 2024-12-05
浏览 125
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利用电信号频率等于石英晶片(或棒)固有频率时晶片因压电效应而产生谐振现象的原理制成的器件。

英文名称
quartz resonator
所属学科
电子科学与技术

石英谐振器由石英晶片(或棒)、电极、支架和外壳等构成,在稳频、选频和精密计时等方面有突出的优点,是晶体振荡器和窄带滤波器等的关键元件。

1921年,人们发现石英晶片谐振特性具有稳频作用,开创了石英谐振器在通信技术中的应用。第二次世界大战期间,由于军事通信的需要,压电石英技术有很大发展。1940年前石英谐振器的频率稳定度为10-5,20世纪50年代达到10-8,70年代2.5兆赫和5兆赫的高精密石英谐振器经长期工作后的最佳水平可分别达到10-13和10-12。现代石英谐振器已能解决短期稳定度问题,秒级稳定度最佳水平已达10-13,毫秒级稳定度最佳水平已达10-12。石英谐振器的频率范围1945年前为100千赫~10兆赫,1960年扩展为500赫~200兆赫,1977年高频扩展到350兆赫。1980年后用离子束刻蚀出超薄晶片,使石英谐振器的基频达1000兆赫。

在晶体坐标系中,晶片沿某种方位的切割称为切型。只有一定的切型才具有压电效应、单一振动模式和零温度系数,所以在设计谐振器时首先要选择合适的切型。石英晶体的切型符号有两种表示方法:一种是国际电工委员会规定的符号表示法,另一种是习惯符号表示法。前一种符号用一组字母和角度来表示;中两个字母的先后排列表示晶片的厚度和长度的原始方位,(长度)、(宽度)、(厚度)表示旋转轴;角度的正、负号表示逆、顺时针旋转。例如,切型,表示晶片原始方位的厚度位于轴方向,长度位于轴方向;晶片先绕厚度沿逆时针方向旋转5°,再绕长度沿顺时针方向旋转50°。后一种习惯符号多数用两个大写拉丁字母表示,例如,AT、BT、NT、MT等;其中AT、BT为单转角切型,NT、MT为双转角切型。两种符号的对应关系见附表。

石英晶体的切型
国际符号
习惯符号
晶片形状
振动模式
使用频率范围/kHz

NT
长片
宽度弯曲
16~100

MT
长片长度伸缩
50~200

GT
长片长度伸缩100~500

CT

方片

矩形片

面切变

200~500

200~600

DT

方片

矩形片
面切变

100~320

320~600


AT

圆片

矩形片
厚度切变
500~350000

SC

圆片

方片

厚度切变
高频
LC
薄片
厚度切变
测温用

按照不同的使用要求,石英谐振器的标称频率可以从几百赫到几百兆赫,这样宽的频率范围只有采用不同的振动模式和不同的晶片尺寸来实现。常用的振动模式为长度伸缩振动、弯曲振动、面切变振动和厚度切变振动等4种模式。

谐振频率的温度特性是石英谐振器的一项重要性能,常用频率温度系数来表示:


式中为参考点温度;为与有关的系数;时的频率。的数值越小表示温度稳定性越好。当时,即得。这表明,在的条件下,温度稳定性最好。时的切角称为零温度系数切角。石英晶体有很多零温度系数切角,这使石英谐振器成为一种重要的压电器件。图中为石英谐振器常用切型的频率温度系数曲线。其中多数切型的特性曲线为抛物线型,抛物线的顶点就是此切型的零温度系数点。少数切型如AT、GT的特性曲线为三次曲线型,适于宽温度范围使用。

石英谐振器常用切型的频率温度特性曲线石英谐振器常用切型的频率温度特性曲线

提高石英谐振器的频率稳定度的重要途径是减小环境温度对频率的影响。通常有两种方法。①恒温槽法。将谐振器放入恒温槽中,只要恒温槽的温度与零温度系数点的温度一致,频率随温度的变化将接近于零。②温度补偿法。将环境温度所引起的频率变化,通过热敏网络加以补偿。温度补偿法的优点是体积小、消耗功率小,且开机即能工作;缺点是频率稳定性低于恒温槽法。

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