石英晶體振盪器
石英晶體振盪器的頻率不是由電感和電容決定,而是由一小片精密切割的石英片決定。這就是一只便宜的電子錶每月只差幾秒的原因,也是你的電腦、手機與每一顆微控制器都有穩定時脈的原因。把考畢子或哈特利那搖搖晃晃的 LC 諧振槽換成石英晶體,頻率漂移就從「百分之幾」變成「百萬分之幾」甚至更好。
晶體之所以能用,是因為石英具壓電性:擠壓它會產生電壓,加電壓它會實際變形。一片薄石英碟有極為銳利的機械諧振,一個它特別愛振動的頻率,像音叉一樣有著異常純淨的音。在電氣上它表現得像一個 LC 諧振槽,但等效品質因數 Q 高達數萬到數十萬,而線圈大概只有一百。電路通常是考畢子的變體,由晶體代替電感。晶體有標準頻率,時鐘用 32.768 kHz(一個對二的次方友善的 2^15 Hz,計數器可直接除頻成每秒一拍),數位系統用 8、16 或 25 MHz 等值。
回報是 LC 根本碰不到的精度與穩定度:典型準確度約正負 20 到 50 ppm(百萬分之一),加上溫度補償或恆溫槽則更好。誠實的提醒:晶體頻率仍會隨溫度略微漂移,多年下來也會老化一點;它周圍的小負載電容必須匹配晶體規定的負載,否則頻率會偏移;而且晶體起振可能較慢,要幾毫秒才建立到全幅。但若要保持準確的時間與乾淨的時脈,沒有任何便宜的東西能勝過石英。
手錶用的 32.768 kHz 晶體之所以被選,是因為 32768 等於 2^15。一個 15 級的二進位計數器把它除頻到剛好 1 Hz,每秒一拍,驅動手錶的秒針。兩顆約 12 pF 的負載電容把它調到規定的頻率。
石英極為銳利的機械諧振,使時脈遠比任何 LC 諧振槽穩定。
晶體精準但非完美:它仍會隨溫度漂移(幾 ppm)並隨年數老化,錯誤的負載電容會把頻率拉偏。它還有兩個相鄰的諧振(串聯與並聯),必須運作在電路所設計的那一個上。