是什么决定了晶体的频率?

通常情况下,一般工程师只知道晶体是一种频率元器件,但可能更少有人知道晶体还分为基频晶体(The Fundamental Frequency Crystal)和泛音晶体(The Overtone Crystal)。那么什么是基频晶体,什么是泛音晶体,两者在电路中的使用有什么区别呢?

是什么决定了晶体的频率?

石英晶体的振动就像弹簧。晶体的振动频率与石英晶体的面积、厚度和切割方向有关。

  • 晶体越长,振动越慢。
  • 晶体越厚,振动越慢。
  • 但晶体太短或太薄都不会产生振荡。

晶体振荡器是机械振动,具有机械振动的特性:形状、几何形状、质量等,决定了振动的频率。晶体振荡器的频率取决于晶片的厚度。

在制造工艺方面,晶片的尺寸和晶片的厚度与晶体的频率密切相关。一般来说,石英晶体的频率越高,对石英晶片的要求就越薄。例如,40MHz石英晶体需要41.75微米的晶片厚度,这是完全可以实现的,但100MHz石英晶体需要16.7微米的晶片厚度。即使厚度是可以实现的,但损耗非常高,并且在制成成品后轻轻放置晶片时会破裂。因此,必须采用三倍泛音、五倍泛音、七倍泛音技术来实现高频晶体。例如,对于基频为20MHz的晶体,经过五次泛音后可以获得100MHz的晶体。一般来说,就经验而言,64MHz以下基本上是基频晶体,而64MHz以上则是泛音晶体。因此,很容易理解为什么很多有源晶体频率基本上被认为是高频,而且成本相对昂贵,因为有源晶体的成本里面除了石英晶体,还增加了一个含振荡IC在内的振荡电路。

基频晶体和泛音晶体在电路应用中的区别

两者在使用上肯定有区别,比如基频晶体,只需要接入合适的电容就可以工作,而泛音晶体要求电感和电容配合使用泛音频率,否则只能产生基频振动。

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