體波石英晶體元件的功率消耗

由體波石英晶體元件構(gòu)成的振蕩電路和壓控振蕩電路諧振元素具有卓越的長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度。最早使用體波石英晶體來(lái)控制振蕩電路頻率的歷史可以追溯到1919年，當(dāng)時(shí)，衛(wèi)斯理大學(xué)（Wesleyan University）的W.G.Cady教授首先使用了一片石英晶體來(lái)控制振蕩器的輸出頻率。除了看似簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)外，振蕩放大器的非線性行為和非線性石英晶體元件一直是人們積極研究和開發(fā)的主題。

振蕩器設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)因素是振蕩電路組成中體波石英晶體元件的功率消耗。在振蕩器中，作為工作點(diǎn)函數(shù)的這種功率消耗差別非常大。功率消耗非常低的體波石英晶體元件可能產(chǎn)生反常的非線性行為，并頻繁導(dǎo)致振蕩器啟動(dòng)，或者功耗比較大時(shí)而表現(xiàn)出的不同頻率溫度行為。

相比之下，體波石英晶體元件過(guò)多的功率消耗可能增加不必要的電路功率，加速器件老化，甚至使某些特殊的石英晶體元件發(fā)生失效。本文將為石英晶體元件和振蕩器設(shè)計(jì)提供足夠的背景知識(shí)，使設(shè)計(jì)工程師可以估算體波石英晶體元件的功耗和理解使振蕩器中石英晶體功耗維持在一定范圍內(nèi)的方法。

巴特沃斯 Van-Dyke模型
體波石英晶體元件的基本諧振原理可以使用巴特沃斯Vab-Dyke模型建模，如圖1所示。該模型中R1、L1和C1組成諧振支路，可以等效石英晶體的壓電特性。C0代表石英晶體諧振子兩個(gè)電極之間的電容和封裝引腳X1與X2之間的封裝電容。C0的值可以通過(guò)在晶體封裝引腳之間增加板級(jí)電容而增加。

圖1 通過(guò)巴特沃斯Van-Dyke模型建模的石英晶體元件模型

一個(gè)25MHz AT方向切片的石英晶體引腳X1和X2之間的實(shí)際和等效器件（等效電容等）所產(chǎn)生的共振頻率如圖1所示。在振蕩支路中，當(dāng)振蕩頻率遠(yuǎn)低于或高于串聯(lián)諧振頻率，其阻抗被電極電容C0所控制。當(dāng)振蕩頻率接近振蕩支路串聯(lián)諧振頻率時(shí)，阻抗由振蕩支路的諧振特性所支配。當(dāng)振蕩頻率非常接近串聯(lián)諧振頻率時(shí)，實(shí)際器件的阻抗大約等于電阻R1，等效器件的阻抗大約是0。