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晶振（有源晶振、無源晶振）構(gòu)造及工作原理

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一、晶振分類

 

一般晶振分為兩種：有源晶振、無源晶振。

 

有源晶振也叫晶體振蕩器，Oscillator；無源晶振有時也叫無源晶體，Crystal，晶體諧振器。至于哪個名字更專業(yè)、更準(zhǔn)確，我覺得無需爭論，名字只是代號而已，大家工作中溝通能知道說的是什么就行。

 

簡單來說，有源晶振自己供上電就能輸出振蕩信號；無源晶體必須額外增加電路才能振蕩起來。

以上分類是從使用角度來說的，如果我們單看晶振的內(nèi)部構(gòu)造，就會發(fā)現(xiàn)有源晶振內(nèi)部是包含了一個無源晶振，然后再將阻容、放大等電路也包含進(jìn)去，整體封裝好再給我們用。

有源晶振內(nèi)部構(gòu)造包含了無源晶振，所以一般來說，有源晶振比無源晶振要貴。另一方面，我們只要了解了無源晶振的特性，有源晶振也就差不多了。畢竟，有源晶振可以看成是無源晶振做成的一個具體電路，供上電就能輸出振蕩信號了。

 

所以，下面我們就只看無源晶振（晶體諧振器）。

 

二、晶體諧振器構(gòu)造

 

首先，晶體諧振器里面的晶體指的是石英晶體，化學(xué)式是二氧化硅SiO2。

 

石英的特點(diǎn)是：熱膨脹系數(shù)小、Q值高、絕緣等。

石英可以做成晶體諧振器，主要是利用了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)又分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，以下是百度百科對其的定義：

意思對應(yīng)下圖：

晶體的構(gòu)造示意圖如下：

上圖左邊是晶體構(gòu)造的示意圖，右邊是我們常見的晶振的符號，二者是不是很像？

 

根據(jù)對前面壓電效應(yīng)的理解，晶體可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能又能轉(zhuǎn)化為電能。如果給晶體通上交流電，那不就是一會兒收縮，一會兒膨脹，這不就是機(jī)械振動嗎？

 

我們知道，機(jī)械振動的物理尺寸和結(jié)構(gòu)固定之后，它本身一般就有一個固有的振動頻率。當(dāng)外加信號的頻率與固有振動頻率相等時，就會發(fā)生共振，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

 

顯然，晶振的頻率，應(yīng)該說的就是這個固有振蕩頻率。再從無源晶體也叫“晶體諧振器”，此處的“諧振”應(yīng)該就是這個意思吧。

 

除此之外，既然工作原理是機(jī)械振動，那么性能自然跟晶體的尺寸和結(jié)構(gòu)有著非常大的關(guān)系。這方面我也查了一下，確實(shí)如此。

 

三、晶振頻率與切片厚度，切割工藝的關(guān)系

 

切割工藝，就是對晶體坐標(biāo)軸某種角度去切割。切型有非常多的種類，因?yàn)槭⑹歉飨虍愋缘模圆煌那行推湮锢硇再|(zhì)不同。

 

切面的方向與主軸的夾角對其性能有著非常重要的影響，比如頻率穩(wěn)定性、Q值、溫度性能等。

常見的切割類型有兩種：AT和BT切。

 

同種頻率的晶振，AT切比BT切的溫度系數(shù)要小，切片厚度要薄，但是Q值比BT切要低。

 

下面是晶體頻率同切片厚度、切割類型的關(guān)系：

一般晶振手冊中也會給出切割類型，不知道大家有沒有關(guān)注過這個參數(shù)呢？

四、特殊的晶振——32.768Khz

 

從上圖可以看出，AT切的20Mhz晶振的切片很薄，只有0.083mm，但是頻率降低到32.768Khz，如果還是AT切，那么厚度就是0.083mm*20Mhz/32.768Khz=50.66mm。

 

顯然，這個尺寸太大了！

 

我們現(xiàn)實(shí)中看到的32.768khz的晶振顯然是沒有這么大的，所以可以肯定的是，32.768Khz的晶振不是AT、BT切，應(yīng)該是別的方式。

 

32.768Khz一般是音叉的結(jié)構(gòu)，就是下面這種：

32.768Khz晶振的 MC-146封裝