石英晶体振荡器设计方案

1 石英晶体振荡器 第一章 研究意义 金融危机以来，国家围绕 “ 保增长、调结构 ” 采取了一系列调控政策，为我国石英晶体振荡器行业提供了较为宽松的国内发展环境，使石英晶体振荡器行业从 2008 年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。我国石英晶体振荡器行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国石英晶体振荡器行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。 虽然石英晶体振荡器行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质 量下降、创新乏力等。石英晶体振荡器行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，石英晶体振荡器市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，石英晶体振荡器市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度。 第二章 发展现状 石英的化学成分为 体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（ 是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（ 低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈 粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具 油脂光泽 ，无解理。受压或受热能产生电效应。 发展趋势 1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如 类器件的体积缩小了 30 100 倍。采用 度不足 2前 5 3寸的 器件已经上市 石英晶体振荡器。 2、高精度与高稳定度，无补偿式晶体振荡器总精度也能达到 25频率稳定度在 10 7范围内一般可达 20 100 同一温度范围内频率稳定度一般为 5制在 25下。 2 3、低噪声，高频化，在 信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。 流产品的相位噪声性能有很大改善。除 ，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200如用于 移动电话的 列压控振荡器，其频率为 6501700源电压 作电流 8 10 4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为 多 品，电流损耗不超过 2英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的 2320 定值范围条件下，频率稳定时间小于 4本东京陶瓷公司生产的 振荡启动 4则可达到额定值的 90%。 司的 10 25 品，在预热 5 分钟后，则能达到 稳定度。 第三章 种类详介 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。石英晶体的压电效应：若 在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。注意，这种效应是可逆的。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与 路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 石英晶体振 荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（ 电压控制晶体振荡器（ 恒温控制式晶体振荡器（ 数字化 / p 补偿式晶体振荡器（ 几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准 (，称其为标准封装晶体振荡器（ 现以 例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。 石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。 要是由品 质因数（ Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成 3 的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或 其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。 石英晶体振荡器的应用： 1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石 英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。 2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用 500 503晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经 1/3的分频得到 15625稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。 3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。 温度补偿晶体振荡器（ 通过附加的温度补偿电路 使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。 ，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型： （ 1）直接补偿型 直接补偿型 由热敏电阻和阻容元件组成 石英晶体振荡器 的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（ 寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于 1，直接 补偿方式并不适宜。 （ 2）间接补偿型 间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现 在 3V 以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度 电压变换电路之后再加一级模 /数（ A/D）变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但 具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。 4 展现状 中在精密 本居领先和主宰地位。在 70年代末汽车电话用 0 以上，目前的主流产品降至 超小型化的 在 30年中， 0 余倍乃至 100 倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装 度由 4至 2振荡启动 4即可达到额定振荡幅度的90%。 金石（ 团生产的 80度从 10到 60变化时的稳定度为 12字式 90率稳定度为 30 +85）。日本东泽通信机生产的 935/937型片式直接温补型 率温度特性（点频 1 20 +70，在 5V 5%的电源电压下的频率电压特性为 出正弦波波形（幅值为1电流损耗不足 2积 1 ，重量仅为 1g。 3080型 用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在 55 85范围内能达到 1精度。国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的 32 40室温下精度优于 1一年的频率老化率为 1率（机械）微调 3源功耗 120前高稳定度的 度可达 高精度、低功耗和小型化，仍然是 研究课题。在小型化与片式化方面，面临不少困难，其中主要的有两点：一是小型化会使石 英晶体振子的频率可变幅度变小，温度补偿更加困难；二是片式封装后在其回流焊接作业中，由于焊接温度远高于 最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将 10 6以下。但是，新的内容和潜力仍较大。 应用 石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用，由于 有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。 为基准振荡器为发送 信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级本机振荡器；另一只 为第 2 级本机振荡器，将其振荡信号输入到第 2变频器。目前移动电话要求的频率稳定度为 30 +75），但出于成本上的考虑，通常选用的规格为 动电话用 12 20C 201用直接补偿方式，由日本金石（ 司生产。 应用： 测试设备 频率范围： 1用频点： 4 5 0 2 3 0 0 52 50 5 80 100 电压控制晶体振荡器（ 是通过施加外部控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的 ，通常是通过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。 许频率控制范围比较宽，实际的牵引度范围约为 200更大。如果要求 采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与 单一的振荡器相比，这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。 在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的 普生公司生产的 320种采用与 引脚器件，内装单独开发的专用 件尺寸为 积为 其标准频率为 12 20源电压为 作电流不大于 2 20 +75范围内的频率稳定度 率可变范围是 20 35动振荡时间小于 4石集团生产的 率覆盖范围为 10 360率牵引度从 60100装发展趋势是朝 向发展，并且在电源电压方面尽可能采用 本东洋通信机生产的 947 系列片式 在 90 年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列 工作频率点是 13率温 度特性 30 +75，频率电压特性 V5%，老化特性 1，内部采用 采用激光束和汽相点焊方式封装，高度为 4本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统（ 移动通信用 有两大类六个系列，为适应 求，全部采用 装。1318型、 型、 1526型和 是表面贴装器件，电源电压为 V，可覆盖的 频率范围或最高频率分别为 32 1201552 4050引度从 25 150等。 子公司生产的 T 列产品尺寸为 57被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。新推出的双频终端机用 寸仅为 且有的内装 2只 X 8000系。 应用： 移频直放站、测试设备、蜂窝基站 频率范围： 1常用频点： 3 0 0 5 70 00 20 恒温控制晶体振荡器（ 利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶 6 体振荡器，其内部结构如图 4 所示。在 ，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器 件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到 5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在 1 10 9。 防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。 常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制（ （ 荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比 较理想的技术方案。 技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的 1/10。在克服 耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割（ 英晶体振子制作的 使用 形石英晶体振子的 较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率（ C/N），是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1宽为单位来测量相位噪声。 司用 形晶体制作的 补偿点 101001000、 135、 140和 145z，而用 割晶体制成的同样 在所有补偿点上的噪声性能都优于5z。 金石集团生产的 率范围为 5 120 10 +60的温度范围内，频率稳定度有 化指标为 和 。 率控制公司的 4895 型 45恒温箱控制度稳定度仅为 2 10 10） /0 75； 4895 型 尺寸是 化率为 。如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。 0 25率稳定度为 70。 275 型用于全球定位系统（ 用 形石英晶体振子，在 0 75范围内总频偏小于 大老化率为 。 O 760型 寸为 品中，体积算是 较小的。随着移动通信产品的迅猛增长，对 发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。 应用： 频直放站、基站、接入网、测试设备 特点：低相位噪声、高稳定度 频率范围： 1160 常用频点： 0 2 3 0 0 5 0 100 20 60 7 第四章 石英晶体振荡器的功能作用 晶振在应用具体起到的作用，微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源，如晶振、陶瓷谐振槽路； 阻、电容）振荡器。一种是皮尔斯振荡器配置，适用于晶振和陶瓷谐振槽路。另一种为简单的分立 荡器。基于晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。 荡器能够快速启动，成本也比较 低，但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差，会在标称输出频率的 5%至 50%范围内变化。但其性能受环境条件和电路元件选择的影响。需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。在使用时，陶瓷谐振槽路和相应的负载电容必须根据特定的逻辑系列进行优化。具有高 在过驱动时很容易产生频率漂移（甚至可能损坏）。影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰（ 机械震动与冲击、湿度和温度。这些因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性，并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。上述大部分问题都可以 通过使用振荡器模块避免。这些模块自带振荡器、提供低阻方波输出，并且能够在一定条件下保证运行。最常用的两种类型是晶振模块和集成 振荡器）。晶振模块提供与分立晶振相同的精度。硅振荡器的精度要比分立 荡器高，多数情况下能够提供与陶瓷谐振槽路相当的精度。 选择振荡器时还需要考虑功耗。分立振荡器的功耗主要由反馈放大器的电源电流以及电路内部的电容值所决定。 以表示为功率耗散电容值。比如， 相器门电路的功率耗散电容值是 90 45V 电源下工作时，相当 于 加上 20晶振负载电容，整个电源电流为 瓷谐振槽路一般具有较大的负载电容，相应地也需要更多的电流。相比之下，晶振模块一般需要电源电流为 1060振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几个微安到可编程器件的几个毫安。一种低功率的硅振荡器，如 作在 4 在特定的应用场合优化时钟源需要综合考虑以下一些因素：精度、成本、功耗以及环境需求。 第五章 石英晶体振荡器的基本概况及分类 基本概况 晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号 48采样，频率发生器就必须提供一个 8果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用 是 对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决 8 这个问题。 晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用 电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫压电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机 机 电感和电容组成的 谐振回路是电场 电路中的应用实际上是把它当作一个高于石英晶体的损耗非常小，即 振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡峭的带通或带阻曲线。 基本分类 晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为 体），而有源晶振则叫做 荡器）。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振 是一个完整的谐振振荡器。石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置 同作用来工作的。振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供 压来维持工作。振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（ 谐振器没有电阻要求。 此这是各商家竞争的一个重要参数。 有源晶振 有源晶振有 4只引脚 是一个完整的振荡器，里面除了石英晶体外，还有晶体管和 阻容元件 。有源晶振不需要 号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，价格相对较高。对于时序要求敏感的应用，还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些 能使用有源的晶振，如 000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。图 5 9 图 5有源晶振的外形图 有源晶振的用法 有源晶振型号众多，而且每一种型号的引脚定义都有所不同，接法也不同 ,下面我介绍一下有源晶振引脚识别，以方便大家：有个点标记的为 1脚，按逆时针（管脚向下）分别为 2、 3、 4。通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。 有源晶振不需要 内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使 用一个电容和电感构成的 出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。 有源晶振是用石英晶体组成的 ,石英晶片之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率 (由晶 片的尺寸和形状决定 )相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。 压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。 石英晶体振荡器的频率稳定度可达 10，甚至 10如 10振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于 此，完全可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源 (石英表、电子表中都是利用石英晶体来做计时的基准频率 )。从 板上一直都使用一颗 主板上除了这颗 晶振，还能找到一 被用于实时时钟 (路中，显示精确的时间和日期。 10 主要参数 1. 总频差 :在规定的时间内 ,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。 2. 频率温度稳定度 :在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。 3. 开机特性 (频率稳定预热时间 ):指开机后一段时间 (如 5 分钟 )的频率到开机后另一段时间 (如 1小时 )的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。 4. 频率老化率 :在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率 (如 10 ,加电72 小时后 )，或规定的时限内最大的总频率变化 (如 : 1第 一年 )和5十年 )来表示。 5. 短稳短期稳定度。 6. 频率压控范围 :将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量 7. 率压控线性 :与理想 (直线 )函数相比的输出频率 性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。 8. 单边带相位噪声 (f):偏离载波 f 处 ,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。 方形有源晶振引脚分布 1、正方的，使用 点的是 1脚。 1 4 5 8、长方的，使用 点的是 1脚。 1 7 8 14 、电源有两种，一种是 能用 5V，一种是 以 V 2、边 沿有一个是尖角，三个圆角，尖角的是一脚，和打点一致。 ） 实际数据 测试样品为 711输出频率， 1 脚悬空， 2 脚接地， 3脚输出， 4脚接 +5V； 11 开始起振，峰值电压 是工作频率会有一定的偏差； 3V 时峰值电压 作频率 出频率准确； 5V 时峰值电压为 作频率 出频率准确。 无源晶振 无源晶振是有 2 个引脚的无极性元件 需要借助于时钟 电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来 无源晶振需要用 源晶振没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶振可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的 且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶振相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整 。使用时建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷晶体。 有源晶振和无源晶振的区别 无源晶振有 2个引脚，需要借助于外部的时钟电路 (接到主 才能产生振荡信号，自身无法振荡 . 有源晶振有 4个引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件 就可输出比较好的波形 . 有源晶振只是将无源晶体和振荡电路做到一起 晶振行业内一般不以有源无源来分类晶振，一般是客户端工程师才这么叫。客户端工程师所说的晶振，其实是包括晶体（谐振器）和晶体振荡器（振荡器）的统称。 晶体是依靠石英晶体的天然振荡出频率，而晶振借助补偿电路及其它补偿功能实现更好的输出频率。 所以，如果单纯从有无接电路区别，可以简单地分为无源 /有源晶振。 12 第六章 石英晶体振荡器的原理、类型及参数 石英晶体谐振器的基本原理 英晶体谐振器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作电极，在每个电极上各焊一根引 线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加 成振荡电路的晶元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料装的。下图 6 图 6金属外壳封装的石英晶体结构图 压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如图 6a）所示。如果在晶片的两极上加交变电压， 晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大的多，这种现象称为压电谐振，如图6b）所示，它与 路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 13 图 6压电效应和谐振现象 符号和等效电路 石英晶体谐振器的符号和等效电路如图 6晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容 C，它的大小与晶片的几何 尺寸、电极面积有关，一般约几个 F。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感 般 几百 片的弹性可用电容 般只有 片振动时因摩擦而造成的损耗用 的数值约为 100。由于晶片的等效电感很大，而 C 很小， R 也小，因此回路的品质因数 达 1000 10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。所以只是个符号 。 谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（一）当 L、 C、的等效阻抗最小（等于 R）。串联谐振频率用 英晶体对于串联谐振频率 纯阻性，（二）当频率高于 L、 C、 R 支路呈感性，可与电容 C 发生并联谐振，其并联频率用 根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗 频率特性曲线如图 6见当频率低于串联谐振频率 英晶体呈容性。仅在 fsf 英晶体呈感性。 14 图 6石英晶体谐振器的符号和等效电路 石英晶体振荡器的类型特点 石英晶体振荡器的类型 石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等 ,共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（ 石英晶体振荡器分为 4类：普通晶体振荡（ ,电压控制式晶体振荡器（ ,温度补偿式晶体振荡（ ,恒温控制式晶体振荡（ 目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（ 。 普通晶体振荡器（ 产生 10( 10(级的频率精度 ,标准频率 1 100率稳定度是 100何温度频率补偿措施 ,价格低廉 ,通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21 14 6 电压控制式晶体振荡器（ 精度是 10( 10(级 ,频率范围130容差振荡器的频率稳定度是 50常用于锁相环路。封装尺寸14 10 3 温度补偿式晶体振荡器（ 用温度敏感器件进行温度频率补偿 ,频率精度达到 10( 10(级 ,频率范围 1 60率稳定度为 1装尺寸从 30 30 15 常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器（ 晶体和振荡电路置于恒温箱中 ,以消除环境温度变化对频率的影响。 0( 10(级 ,对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。 15 石英晶体振荡器的特点 在振荡频率上，闭合回路的相移为 2 当开始加电时 ，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络 的带宽决定。 幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小。 在稳定状态下，闭合回路的增益为 1。 晶振的主要参数 晶振的主要参数有标称频率 ,负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同 ,标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有： 48500 503.5 1 ,对于特殊要求的晶振频率可达到 1000 也有的没有标称频率 ,如 载电容是指晶振的两条引线连接 内部及外部所有有效电容之和 ,可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振 ,负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率 ,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以 ,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至 ,不能冒然互换 ,否则会造成电器工作不正常。频率精 度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求 ,对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从 10(级到 10(级不等。稳定度从 1 到 100等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振 ,如通信网络 ,无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此 ,晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振 ,因不同性能的晶振其价格不同 ,要求越高价格也越贵 ,一般选择只要满足要求即可。 主要参数的描述 1. 频率准确度 在标 称电源电压、标称负载阻抗、基准温度（ 25）以及其他条件保持不变，晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差，即（ ； 2. 温度稳定度 其他条件保持不变，在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值，即（ （ 3. 频率调节范围 通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。 16 4. 调频（压控）特性 包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。 调频频偏：压控晶体振荡器控制电压由标称的 最大值变化到最小值时输出频率差。 调频灵敏度：压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。 调频线性度：是一种与理想直线（最小二乘法）相比较的调制系统传输特性的量度。 5. 负载特性 其他条件保持不变，负载在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称负载下的输出频率的最大允许频偏。 6. 电压特性 其他条件保持不变，电源电压在规定变化范围内晶体振荡器输出频率相对于标称电源电压下的输出频率的最大允许频偏。 7. 杂波 输出信号中与主频无谐波（副谐波除外）关系的离散频谱分量与主频的 功率比，用 8. 谐波 谐波分量功率 载波功率 9. 频率老化 在规定的环境条件下，由于元件（主要是石英谐振器）老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振，由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移，往往用老化率（单位时间内的相对频率变化）来量度。 10. 日波动 指振荡器经过规定的预热时间后，每隔一小时测量一次，连续测量 24小时，将测试数据按 S=（ ，得到日波动。 11. 开机特性 在规定的预热时间内，振荡器频率值的最大变化，用 V=（ 。 12. 相位噪声 17 短期稳定度的频域量度。用单边带噪声与载波噪声之比 （ f）表示，（ f）与噪声起伏的频谱密度 f）和频率起伏的频谱密度 f）直接相关，由下式表示： f） =f） =2 f） f 傅立叶频率或偏离载波频率； 载波频率。 第七章 石英晶体振荡器的基本工作原理 作原理 放大网络 所加的信号进行放大 ； 反馈网络 7作原理图。 图 7振荡电路的两项条件： 1、电路的闭环增益必须等于 1，这可以通过放大器网络的自限幅特性实现； 2、围绕电路的网络相移量必须等于 2 n，通常 n 为 1 或 2。图 7 图 7 18 作原理 石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成 ,通过控制变容二极管的电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的。图 7电路组成图。 图 7技术规范：控制电压 交流信号时，也称调制电压 压控范围 压控极性 随电压的增加而上升的极性为“ +”，反之为“ -”；图 7 图 7线性度 偏移（ 压控范围的比例；图 7 图 7 19 作原理 基本上是一个 温度补偿网络构成，如图 7示，补偿网络有热敏电阻等组成，通过调节不同温度下变容二级管的电压来改变晶体的负载，从而调整晶体的频率。 图 7变容二极管反向电压的温度特性控制方法： 13 个热敏电阻构成的网络 数字逻辑器件或微处理器依据写入 ，计算并通过 D/到，但 1 7本工作原理图。 图 7 20 第八章 石英晶体振荡电路 （ 1）串联型谐振晶体振荡器工作原理 串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率 起振。 图 8一种串联型单管晶体振荡器电路， 图 8其高频等效电路。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。、 、 和 组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。与电容三点式振荡电路十分相似，所不同的是反馈信号不是直接接到半导体管的发射极，而是经石英晶体接人实现正反馈。若 频回路的振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率，石英晶体谐振器就会呈现很小的电阻，实现正反馈最强，满0足振荡条件，振荡电路便可起振 （ 2）电路图及交流等效电 路 e 为晶体管静态工作点的控制，输出用 晶体加在反馈回路中。 12 图 8串联谐振型晶体振荡器 21 串联晶体振荡器交流等效电路