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晶振的ESR与Rr有什么区别?

石英晶体是压电晶体的一种,沿着特定的方向挤压或拉伸,它的两端会产生正负电荷,这种效应称为正压电效应;相反,对晶体施加电场导致晶体形变的效应,称为逆压电效应。所以在石英晶片两面施加交变电场,晶片就会产生形变,而形变又会产生电场,这是一个周期转换的过程。对于特定的晶片,这个周期是固定的,我们利用这个周期来产生稳定的基准时钟信号。

石英晶体元器件,是利用石英晶体的压电效应实现频率控制、稳定或选择的关键电子元器件。包括石英晶体谐振器、石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。在石英晶片的两面镀上电极,经过装架、调频、封装等工序后制成石英晶体元件。石英晶体元件与集成电路等其它电子元件组合成石英晶体器件。本文主要介绍石英晶振:即所谓石英晶体谐振器(无源晶振)和石英晶体振荡器(有源晶振)的统称。一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了,振荡器就是通常所指钟振。石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件,已被广泛地使用在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通讯、仪器仪表等各种电子设备中。

晶振的ESR与Rr有什么区别?

  晶振的作用

由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力,所以,石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。石英晶体震荡器的应用范围是非常广的,它质量等级、频率精度也是差别很大的。通讯系统用的信号发生器的信号源,绝大部分也用的是石英晶体震荡器。它是时钟电路中最重要的部件,它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率,它就像个标尺,工作频率不稳定会造成相关设备工作频率不稳定,自然容易出现问题。晶振还有个作用是在电路产生震荡电流,发出时钟信号。它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

  谐振电阻(Rr)

指晶体元件在谐振频率处的等效电阻,当不考虑C0的作用,也近似等于所谓晶体的动态电阻R1或称等效串联电阻(ESR)。这个参数控制着晶体元件的品质因数,还决定所应用电路中的晶体振荡电平,因而影响晶体的稳定性以致是否可以理想的起振。所以它是晶体元件的一个重要指标参数。一般的,对于一给定频率,选用的晶体盒越小,ESR的平均值可能就越高;绝大多数情况,在制造过程中并不能预计具体某个晶体元件的电阻值,而只能保证电阻将低于规范中所给的最大值。

  什么是ESR

理论上,一个完美的电容,自身不会产生任何能量损失,但是实际上,因为制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,各种原因导致电容变得不完美。这个损耗在外部,表现为就像一个电阻跟电容串连在一起,所以就起了个名字叫做等效串连电阻。

ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。

比如,我们认为电容上面电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从0开始上升。但是有了ESR,电阻自身会产生一个压降,这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的,这会降低电容的滤波效果,所以很多高质量的电源啦一类的,都使用低ESR的电容器。

同样的,在振荡电路等场合,ESR也会引起电路在功能上发生变化,引起电路失效甚至损坏等严重后果。

所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。

  晶体谐振器的等效电路

晶振的ESR与Rr有什么区别?

上图是一个在谐振频率附近有与晶体谐振器具有相同阻抗特性的简化电路。其中:C1为动态电容也称等效串联电容;L1为动态电感也称等效串联电感;R1为动态电阻也称等效串联电阻;C0为静态电容也称等效并联电容。

这个等效电路中有两个最有用的零相位频率,其中一个是谐振频率(Fr),另一个是反谐振频率(Fa)。当晶体元件实际应用于振荡电路中时,它一般还会与一负载电容相联接,共同作用使晶体工作于Fr和Fa之间的某个频率,这个频率由振荡电路的相位和有效电抗确定,通过改变电路的电抗条件,就可以在有限的范围内调节晶体频率。

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