晶振作為測量元件時的重要性能參數

石英晶振本身具有很多性能參數,除了前面所提及的串聯諧振頻率、并聯諧振頻率外,還有制造公差、拐點溫度等,已經有很多文獻對此作了論述但對于測量來說,選用石英晶體的重要原因是因為它的高頻穩定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質因數、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進行了論述。

晶體的品質因數Q是晶體的最重要參數。在一定程度上,當其他條件相同時,Q值越高晶體振蕩器的頻率穩定度越高,石英晶振晶體的品質因數Q是由晶體的動態參數決定的,即：

其中ω為測試系數。

晶振的品質因數通常不作規定,對于標準部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達5×10°,這比傳統的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵電平和諧振頻率的關系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵電平通常以晶振的耗散的功率、流過晶振的電流以及晶振兩端的電壓來量度,晶振電流的變化使其串聯諧振頻率發生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關系,可以用下面的近似關系表示：

其中D是振的電流常數

從上述關系式可以看出,當激勵電平增大時,產生了以下影響:(1)頻率產生了漂移,長期穩定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數發生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵電流增高,晶振的頻率穩定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當晶振的激勵電平過高時,使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內部分子運動加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實際測量中,當激勵電流過大時,石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導致測量的精度下降,同時不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵電流。但是激勵電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態穩定性變壞,這樣獲得的圖像質量就比較差。

晶振的另外一個值得注意的參數是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時,晶格變形,從而使得其串聯諧振電路發生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數,這就是說頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(>80°C)時,石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。

在國外的文獻中已經有報道將晶振放在真空、低溫、強磁場的環境下進行測量,這時晶振的頻率將與常溫時有明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實驗室應該對測試溫度和環境加以控制。同時由于測試環境的變化,如何保持儀器的穩定性, 也是一個值得注意的問題。

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