石英晶體音叉：為什么它成為電子計(jì)時(shí)的首選？

石英晶體音叉或手表晶體是最古老的石英晶體設(shè)計(jì)之一。音叉最初用于手表和鐘表的計(jì)時(shí)，現(xiàn)在也用于計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）。全球供應(yīng)商每年生產(chǎn)數(shù)億個(gè)這種形狀獨(dú)特的石英晶體。音叉晶體有多種尺寸可供選擇，以滿足設(shè)計(jì)需求，每年都有趨勢(shì)指向更小的表面貼裝晶體封裝。

石英晶體音叉（也稱為圓柱晶振）是指?石英晶片外形類似音叉的晶振?。它是一種石英晶體諧振器，常用于提供時(shí)鐘頻率，確保電子設(shè)備能夠正常工作。音叉晶振的常用頻率為32.768KHZ，主要尺寸有?DIP:38mm、26mm，常用于遙控器，石英手表，時(shí)鐘，計(jì)算機(jī)、家電自動(dòng)控制和工業(yè)自動(dòng)控制等等。

音叉晶體背景

顧名思義，石英晶體是由石英制成的。傳統(tǒng)上，石英是一種天然存在的硬質(zhì)礦物，但今天的大部分石英都是在高壓釜中合成生長(zhǎng)的，這提供了比天然石英更高的標(biāo)準(zhǔn)純度。使用石英是因?yàn)楫?dāng)施加機(jī)械壓力和張力時(shí)會(huì)變成壓電并產(chǎn)生電荷。這種壓力會(huì)導(dǎo)致我們稱為頻率的機(jī)械振動(dòng)。

石英需要以精確的角度切割，以啟動(dòng)特定的振動(dòng)模式并確保壓電效應(yīng)起作用。最常見(jiàn)的晶體設(shè)計(jì)之一是 AT Cut晶體。AT Cut晶體的頻率由晶體的厚度決定。例如：晶體越薄，頻率越高。晶體的振動(dòng)質(zhì)量將直接決定晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)是否需要并聯(lián)或串聯(lián)諧振晶體。

音叉晶體頻率和工作原理

晶體機(jī)械振動(dòng)模式有四種常見(jiàn)的：彎曲、拉伸、面剪切和厚度剪切。石英晶體音叉將在彎曲模式下運(yùn)行，其特征是柄腳在水平平面上獨(dú)立但同相振動(dòng)。彎曲模式晶體主要在低于 1 MHz的低頻范圍內(nèi)工作。雖然泛音模式是可能的，但音叉晶體主要用作基頻。

最常見(jiàn)的石英晶體頻率是 32.768 kHz。這個(gè)頻率已經(jīng)變得很普遍，因?yàn)楫?dāng) 32.768 kHz除以 2/15時(shí)，會(huì)有 1 Hz的信號(hào)。該 1 Hz信號(hào)將始終提供一秒的時(shí)間。這為日期、日期和時(shí)間的出現(xiàn)提供了一個(gè)可靠的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。經(jīng)典音叉的頻率最終是簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算和石英生產(chǎn)的一般條件的結(jié)果。

音叉晶體拋物線溫度曲線

由于其獨(dú)特的形狀，音叉晶體在很寬的溫度范圍內(nèi)無(wú)法提供高精度。它們的溫度精度可以繪制為隨溫度變化的拋物線曲線。在室溫或大約 +25°C下，該精度通常為 ±20ppm。這相當(dāng)于每天增加或減少 1.7秒的時(shí)間或每年增加或減少 10.34分鐘。圖 1顯示了在極高和極低溫下的精度下降。在這些溫度下的典型精度遠(yuǎn)低于 ±150ppm，這相當(dāng)于每天損失近 13.0秒或每年損失約 1.3小時(shí)。32.768 kHz音叉晶體的常見(jiàn)拋物線系數(shù)為 0.04 ppm/°C2。

圖 1：確定音叉頻率穩(wěn)定性的拋物線曲線

如何確定典型 32.768 kHz音叉晶體的溫度與精度的關(guān)系

在特定頻率（f）和溫度（T）下，典型晶體的頻率偏差（Δf）為：

Δf/f = k（T – To)2+ Fo

• f是標(biāo)稱晶體頻率
• k是曲率常數(shù)
• T是溫度
• To是翻轉(zhuǎn)溫度
• fo是室溫下的頻率偏差

對(duì)這些方程的分析揭示了只有三個(gè)變量控制晶體隨溫度的變化頻率響應(yīng)。這些是曲率接觸、翻轉(zhuǎn)溫度和室溫頻率偏差。曲率常數(shù)對(duì)頻率偏差隨溫度變化的拋物線性質(zhì)影響最大，但該常數(shù)的偏差非常小。不同的周轉(zhuǎn)溫度會(huì)使曲線向左或向右移動(dòng)，而室溫下的不同頻率偏差會(huì)使曲線上下移動(dòng)。