石英晶体谐振器及石英晶体振荡器

1、. 石英晶体谐振器一、术语解释 1、 标称频率：晶体技术条件中规定的频率,通常标识在产品外壳上。 2、 工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。 3、 调整频差：在规定条件下,基准温度252时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。4、 温度频差：在规定条件下,在工作温度范围内相对于基准温度252二、应用指南石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/SSMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。HC-49U/S

2、SMD为准表面贴装型产品,适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。UM系列产品主要应用于移动通讯产品中,如BP机、移动手机等。石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。1、 振动模式与频率关系：基频 135MHz3次泛音 1075MHz 5次泛音 50150MHz7次泛音 100200MHz9次泛音 150250MHz2、 晶体电阻：对于同一频率,当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。信号源+电平表功能由网络分析仪完成Ri、R0：仪器

3、内阻：一般为50R1-滤波器输入端外接阻抗,阻抗值为匹配阻抗减去50。R2-滤波器输出端外接阻抗,阻抗值为匹配阻抗减去50。在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求,应按上图连接。3、 工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时,应考虑设备工作引起的温升容限。当对温度频差要求很高,同时空间和功率都允许的情况下,应考虑恒温工作,恒温晶体振荡器就是为此而设计的。4、 负载电容与频率牵引：在许多应用中,都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求,这在锁相环回路及调频应用中非常必要,大多数情况下,这个负载电抗呈容性,当该电容值为CL时,则相对负载谐振频率偏移量为：DL=C1/2C0+CL。而以CL作为可

4、调元件由DL1调至DL2时,相对频率牵引为DL1,L2= C1CL1CL2/2C0+CL1C0+CL2。5、 负载电容的选择：晶体工作在基频时,其负载电容的标准值为20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶体经常工作在串联谐振,在使用负载电容的地方,其负载电容值应从下列标准值中选择：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。6、 激励电平的影响：一般来讲,AT切晶体激励电平的增大,其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应,导致可能出现寄生振荡；严重热频漂；过应力频漂及电阻突变。当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定。7、 滤波电路中的应用：应用于滤

5、波电路中时,除通常的规定外,更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度,由于滤波晶体设计的特殊性,所以用户选购时应特别说明。石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动实际上石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出这个回路包括L1 C1 同时C0 作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路与弹性振动有关的阻抗R1 是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗石英晶体作为谐振器在使用时要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定温频特性与切割角有关每个石英晶体具有结晶轴晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的典型的晶体切割和温频特性AT 型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三

6、次曲线表示 一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割以达到要求的工作温度范围当然实际上即使在成功的操作中也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布由此操作的精确度需要提高在图4 中可以看到频率公差和生产难度等级的关系负载电容CL 是组成振荡电路时的必备条件在通常的振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗而振荡电路作为一个容抗被使用也就是说当晶体两端均接入谐振回路中振荡电路的负阻抗-R 和电容CL 即被测出这时这一电容称为负载电容负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的负载电容小时频率偏差量大当负载电容提高时频率偏差量减小当振荡电路中的负载电容减少时谐振频率发生较大的偏差甚至当

7、电路中发生一个小变化时频率的稳定性就受到巨大影响负载电容可以是任意值但10-30PF 会更佳Equivalent Circuit of Crystal Oscillation Circuit 在振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗被使用石英晶体谐振器和振荡电路的关系如图5 所示为提高振荡电路中的起振条件须提高振荡电路中的负阻抗而电路中没有足够的负阻抗偏差则较难起振在振荡电路中负阻抗的值应达到谐振阻抗的5-10 倍在振荡电路中负载电容的中心值其决定谐振频率的绝对值和其变化范围谐振频率的良好调整范围应保持在最佳值Oscillation Circuit 一个由石英晶体谐振器组成的典型振荡电路如图7 所示

8、Frequency Cg, Cd Rd CL 3-4 27 5.6K 164-5 27 3.9K 165-6 27 2.7K 166-8 18 2.7K 128-12 18 1.8K 1212-15 18 1.0K 1215-20 15 1.0K 1220-25 12 660 10Spurious Resonances 所有石英谐振器均有寄生在主频率之外的不期望出现的振荡响应他们在等效电路图中表现为附加的以R1 L1C石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12qR1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV.

9、由于L1 和C1 电抗性的功率振荡,存在Qc=Q x Pc. 若Pc=1mV, Q=100.000, Qc 则相当于100W. 由于低的Pc 功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV 进行.一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW 逐步增加时均能

10、保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好.上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性. 通常生产中测试DLD 是用110mV 测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD 极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC 草案248 覆盖了根据IEC444-6 制定的激励功率的依赖性的测量方法.提供具有充分的

11、反馈和良好脉冲的最优化的振荡回路,可以极大的消除振荡的内部问题.Notes for Crystal Unit Applications与HC-49/U 相比,小的石英晶体谐振器 都是低激励功率. 在使用之前,须在一个实际的安装电路中检验晶体电流.XX市格利特电子有限公司TEL:+86-755-83476790 FAX:+86-755-83383601 HTTP:/ E-mail:sales须检查电路的负阻抗,负阻抗的认可见图8.负阻抗应是谐振阻抗的5 倍左右.当使用C-MOS 振荡器时线路图中的Rd 是必要的. 如果Rd 达到要求, 激励功率会保持在规定值内,那么谐振频率也就稳定了.在10-3

12、0PF 内,可以用Cg 和Cd, 如果Cg 和Cd30PF, 振荡会被电路现象轻易的影响, 激励功率会升高,或负阻抗会减小, 最终导致振荡的不稳定.晶体振荡电路的设计应尽量简短.电路和线路板间的杂散电容应尽量被减少.尽量避免晶体振荡电路穿过其他电路.如果电路用IC 方式,而且IC 制造各不相同,那么频率, 激励功率, 负阻抗须被确认.泛音振荡电路还需要附加的参考.摘要：石英晶体振荡器在无线系统等应用领域中提供频率基准,是目前其它类型的振荡器尚不能替代的。本文介绍了TCXO、VCXO和OCXO等几类晶体振荡器的结构、特点、发展现状及其在移动通信等领域的应用。关键词：石英晶体振荡器一、引言尽管石英

13、晶体振荡器的应用已有几十年的历史,但因其具有频率稳定度高这一特点,故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术IT产业的高速发展,更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统GPS、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准,是目前其它类型的振荡器所不能替代的。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化,是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中,也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振

14、荡器只有在技术上不断创新,才能延长其寿命周期,在竞争中占有优势。二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理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TCXO、电压控制晶体振荡器VCXO、恒温控制式晶体振荡器OCXO和数字化/p补偿式晶体振荡器DCXO/MCXO等几种类型。其中,无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种,在日本工业标准中,称其为标准封装晶体振荡器SPXO。现以SPXO为例,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。SPXO主要是由品质因数Q很高的

15、晶体谐振器即晶体振子与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率基频或n次谐波频率及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如图1所示。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。在图1c所示的晶体谐振器的等效电路中,Co为晶片石英晶体振于的结构b金属壳封装示图c等效电路与金属板之间的静电电容；L、C为压电谐振的等效参量；R为振动磨擦损耗的等效电阻。石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率fos1

16、/2,同时也存在一个并联谐振频率fop1/2。由于CoC,fop与fos之间之差值很小,并且ROL,R1/OC,所以谐振电路的品质因数Q非常高可达数百万,从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高,可达1012/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处,也可工作在fop附近,因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其等效电路,取代LC振荡器中构成谐振回路的电感L和电容C元件,则很容易理解晶体振荡器的工作原理。SPXO的总精度包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化可以达到25ppm。SPXO既无温度补偿也无温度控制措施,其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子

17、的频率温度特性所决定。在070三、温度补偿晶体振荡器TCXOTCXO是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。1TCXO的温度补偿方式目前在TCXO中,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TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,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PCB尺寸和空间,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1pmm时,直接

18、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0.5ppm的高精度,但在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。2.TCXO发展现状TC

19、XO在近十几年中得到长足发展,其中在精密TCXO的研究开发与生产方面,日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20以上,目前的主流产品降至0.4,超小型化的TCXO器件体积仅为0.27。在30年中,TCXO的体积缩小了50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TCXO厚度由4mm降至2mm,在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90。金石KSS集团生产的TCXO频率范围为280MHz,温度从10到60变化时的稳定度为1ppm或2ppm；数字式TCXO的频率覆盖范围为0.290MHz,频率稳定度为0.1ppm3085。日本东泽通信机生产的TCO935

20、/937型片式直接温补型TCXO,频率温度特性点频15.36MHz为1ppm/2070,在5V5的电源电压下的频率电压特性为0.3ppm,输出正弦波波形幅值为1VPP,电流损耗不足2mA,体积1,重量仅为1g高精度、低功耗和小型化,仍然是TCXO的研究课题。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TCXO的最大允许温度,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TCXO的频率变化量控制在0.5106以下。但是,TCXO的技术水平的提高并没进入到极限

21、,创新的内容和潜力仍较大。3.TCXO的应用石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用a图2移动通信机电路框图及其TCXO外观由于TCXO具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。图2a为移动通信机射频RF电路框图。TCXO作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TCXO作为第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0.12.5ppm3075,但出于成本上的考虑,通常选用的规格为1.52.5ppm。移动电话用1220MHz的TCXO代表性产品之一是VCTCXO201C四

22、、电压控制晶体振荡器VCXO电压控制晶体振荡器VCXO,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VCXO中,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。VCXO允许频率控制范围比较宽,实际的牵引度范围约为200ppm甚至更大。如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高,可采用倍频方案。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VCXO的输出信号混频。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VCXO代表性产品是日本精工爱普生公司生产的VG2320

23、SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件,内装单独开发的专用IC,器件尺寸为12.6mm7.6mm1.9mm,体积为0.19。其标准频率为1220MHz,电源电压为3.00.3V,工作电流不大于2mA,在2075范围内的频率稳定度1.5ppm,频率可变范围是2035ppm,启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO,频率覆盖范围为10360MHz,频率牵引度从60ppm到100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD方向发展,并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO947系列片式VCXO,早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MH

24、z、13MHz、14.5MHz和15.36MHz,频率温度特性2.5ppm/3075,频率电压特性0.3ppm/5V5,老化特性1ppm/年,内部采用SMD/SMC,并采用激光束和汽相点焊方式封装,高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统PHS等移动通信用VCXO,共有两大类六个系列,为适应SMT要求,全部采用SMD封装。Saronix的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1KH/LH等VCXO,均是表面贴装器件,电源电压为3.3V或5V,可覆盖的频率范围或最高频率分别为32120MHz、155MHz、

25、240MHz和150MHz,牵引度从25ppm到150ppm不等。MF电子公司生产的TVCXO系列产品尺寸为5mm7mm,曾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。目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm图3压控SAW振荡器内部结构图4OCXO内部结构示图列表面贴装VCXO,采用引线封装时高度为0.185英寸,采用扁平封装时仅为0.15英寸,工作频率可在1160MHz内选择,标准频率调整范围为100ppm,线性度优于10,稳定度优于25ppm/070,老化率为2ppm/年,输出负载达10个LSTTL单价达10美元以上。于1998年7月上市的单价2000日元的UC

26、V4系列压控振荡器VCO,面向全球移动通信系统GSM和个人数字蜂窝电话PDC,可用频率范围为6501700MHz,电源电压为2.23.3V,尺寸仅为4.8mm5.5mm1.9mm,体积为0.05,重量0.12g。日本精工爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波SAW谐振器Q2000,型号为FS555,用4.8mm5.2mm1.5mm陶瓷容器包封,振荡频率范围达250500MHz,频率初始偏差为25100ppm,在2060范围内的频率稳定度是27ppm,老化率为10ppm/年。利用FS555组成的压控SAW振荡器内部结构如图3所示。欲扩大频率调节范围,可加大串联电感Lo的电感量。由于SAW谐振器

27、的频率可达2GHz以上,为压控SAW振荡器VCSO的高频化提供了一条重要途径。五、恒温控制晶体振荡器OCXOCXO是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体振荡器,其内部结构如图4所示。在OCXO中,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1109。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导

28、航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通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AGC的C1app振荡电路,是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。在近几年中,OCXO的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OCXO功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SCCut石英晶体振子制作的OCXO,与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较,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

29、颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处,以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz,而用SC切割晶体制成的同样OCXO,则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。金石集团生产的OCXO,频率范围为5120MHz,在1060的温度范围内,频率稳定度有0.02、0.03和0.05ppm,老化指标为0.02ppm/年和0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.09645MHz双恒温箱控制OCXO,温度稳定度仅为0.002ppm21010/075；4895型OCXO的尺寸是50.8mm50.8mm38.3mm,老化率为0.03ppm/年。如果体积缩小一点,在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的1025MHz表面贴装OCXO,频率稳定度为0.05ppm/070。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统GPS的OCXO采用SC切形石英晶体振子,在075范围内总频偏小