試論石 英晶體振蕩器的原理和應用

大家熟悉的LC正弦波振蕩器，最大的缺點是振蕩頻率很不穩定，受到電源電壓、環境溫度變化、元件老化等外界因素的影響，諧振頻率f0就會發生改變。而石英晶體振蕩器(簡稱晶振)的諧振頻率f0主要由晶體自身參數決定，與電路中的其它元件、電源電壓、外界溫度等因素幾乎無關，所以頻率穩定度極高。我們常見的電子設備，如石英鐘表、遙控器、彩電、電腦、手機等都離不開石英晶體振蕩器。

1 晶振的構造

晶振的結構非常簡單，它的核心是一塊石英晶體薄片。自然界中的石英通常是六方晶體，把晶體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、矩形或圓形，在晶片的兩面鍍上一層薄銀，再焊上兩根引線(圖1)，封裝在金屬或塑料殼中，就制成了石英晶體振蕩器。

2 晶振的物理原理

石英是絕緣體，兩面是鍍銀電極。這樣晶振不工作時就是一個典型的平行板電容器 (圖2)，它的電容量C0不大，一般只有幾皮法至幾十皮法。C0也是晶振的一個重要參數。但晶振在電路中并不是作為電容器使用的。石英晶體有個十分奇妙的特性:給晶片施加一個機械作用力，在石英晶片的相應方向上就會產生電場;反過來，在石英晶片的兩個電極之間外加一電場，晶片又會產生機械變形。這種物理現象叫晶體的壓電效應。現給石英晶片兩極加上一個方向交變電壓，它就會產生機械振動，這個機械振動，又會使晶片產生交變的電場，只不過這種機械振動的振幅和交變電場的變化幅度都非常微小。只有在外加交變電壓的頻率等于某一特定頻率時，振幅才會急劇增大，這種現象叫壓電諧振。這個特定頻率稱為石英晶體的固有頻率或諧振頻率f0，f0是由晶片的尺寸和切割角度決定的。

(欄目編輯王柏廬)