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晶体应用培训资料

晶体应用基础知识

石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

    一、石英晶体振荡器的基本原理

    1、石英晶体振荡器的结构

    石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，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（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。

2、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。

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LC回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。

    3、符号和等效电路

    石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。

当晶体不振动时，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PF到几十PF。

当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

一般L的值为几十mH到几百mH。

晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。

晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。

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Q很大，可达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。

4、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

（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。

串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，

（2）当频率高于fs时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fd表示。

    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2e所示。

可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。

仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。

    二、石英晶体振荡器类型特点

    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（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：

普通晶体振荡（SPXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。

目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器（DCXO）等。

    普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^（-5）～10^（-4）量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。

SPXO没有采用任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21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

    电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^（-6）～10^（-5）量级，频率范围1~30MHz。

低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。

通常用于锁相环路。

封装尺寸14×10×3mm。

    温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^（-7）～10^（-6）量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。

通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。

    恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将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。

OCXO频率精度是10^（-10）至10^（-8）量级，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。

    三、石英晶体振荡器的主要参数

    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：

48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。

负载电容是指晶振的两条引线连接IC块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致，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^（-4）量级到10^（-10）量级不等。

稳定度从±1到±100ppm不等。

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。

    四、石英晶体振荡器的发展趋势

    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TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。

采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市。

    2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～70℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

    3、低噪声，高频化，在GPS通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。

目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。

除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。

例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。

    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3.3V。

目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。

石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VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。

日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。

OAK公司的10～25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。

    五、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。

石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。

振荡系统的元件参数确定了振频率。

一般Q、C1及C2均为外接元件。

另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。

故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。

但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。

根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：

若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。

此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。

若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。

如图5所示。

此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。

只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。

因此，晶振可用于时钟信号发生器。

2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其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。

晶体谐振器简介

一、石英晶体原理介绍：

（一）石英晶体的工作原理：

1．压电效应：

沿某些晶体的特定方向施加压应力作用时，晶体产生形变，同时产生电极化，其极化强度与压力成正比，称之为正压电效应；反之，在电场作用下，晶体产生应变，应变大小与场强成正比，称之为负压电效应。

压电效应的原理是：

外力作用下晶格变形引起正负电荷中心分离而产生的。

施加应力时，在一个方向上产生脉冲电流，取消时，在相反方向产生。

2．稳频原理：

石英晶片是弹性体，有其固有频率，同时又由于其为压电体，当外加电场的交变频率与石英晶片的固有频率相接近时，由于负压电效应，石英晶片产生机械谐振，此时振幅最大，阻抗最小,电流最大。

若外加交变电场的频率偏离石英晶片的固有频率时，阻抗迅速增大,电流也随之迅速减小,故其有很好的稳频（对频率的选择）作用。

5．谐振等效工作电路：

石英晶片经过被电极，上架、封装即成为压电谐振器。

当外加电场的交变频率与石英晶片的固有频率相接近,且外加电压的角频率ω等于石英机械振动的固有谐振角频率ω时（取决于石英晶体的几何尺寸和切型）,晶片产生机械谐振，弹性振动通过压电效应与路相耦合,其效果等于由L1，C1，R1的串联臂和C0并联组成的谐振回路。

此时机械振动的幅度最大，相应地晶体表面所产生的电荷量最大，外电路中电流最大。

（二）石英晶体的使用：

1．石英晶体谐振器的使用回路：

在振荡电路中，石英晶体谐振器作为电感使用，与负载电容构成实质上的LC振荡电路，这一电路称为哈特莱电路。

振荡电路的起振条件

电路相应构成

1

正反馈条件：

相位角为360O，产生正反馈回路

振荡电路为哈特莱电路

2

起振时，放大器的放大倍数>1

反馈回路，谐振器作为电感，与负载电容构成LC路

3

有选频网络

选频元件为谐振器

4

有由非线性元器件组成的限幅电路

负阻抗-R

在第一个起振条件中,由于谐振回路不是理想矩形,故存在不均匀性,具有一定频带的信号作用于回路时,回路的电流或回路端电压频率失真（在通频带范围内产生的频率失真被认为是允许的）.同样,由于回路的电流或端电压对各个频率分量产生的相位移不成线性关系,故不可避免地产生相位失真,这是谐振回路的相频特性,此特性不仅仅与谐振器条件有关，还与振荡电路本身有关。

2．负载电容特性：

（1）谐振器工作频率范围：

（2）串联时,L1和C1的电抗值相等且符号相反。

Fs=（1/2π）*（L1*C1）1/2.只有在Fs和Fp之间的阴影区，谐振器方表现为感性，可组成振荡回路。

（3）振荡电路是等效电路是由负阻抗-R和电容CL构成的，CL是由石英晶体谐振器两端向振荡器看的有效电容量，通常称为负载电容。

（4）Fs和Fp之间的间隔代表石英谐振器的可调带宽,通过CL可使晶体工作在Fs和Fp之间的

某一点,谐振器在这一区域呈现感性，谐振器与负载串联后,FL=FS{1+[C1/（C0+C1）]}.

3.激励功率依赖性

激励功率偏小时，信噪比下降，谐振器不易起振，其短期稳定性和可靠性下降；激励功率偏大时谐振器中晶片温度上升，频率稳定度下降，且由于激励功率偏大，可能引起机械形变超过弹性限度使晶格产生永久位移，甚至产生不振，同时阻抗上升，温度频差和温度阻抗不稳定。

半导体回路需要的正常工作激励功率日益减小，一般而言，谐振器的激励功率以0.1mw为佳。

随着激励功率的上升，谐振器的频率也不断上升。

4.寄生响应

所有的石英谐振器都有寄生响应（主振频率之外的非需要频率），寄生响应的频率值高于主振频率，但其振幅比主振频率小。

寄生响应的大小用公式Anw=Ig（RNW/Rr）表示。

对于谐振器而言，通常寄生响应的大小要求在3-6DB，而滤波器则要求大于40DB，这要求一些特殊的技术参数包括具有很小的C1值。

随着频率的上升和泛音次数的增加，寄生响应减小。

因此在应用晶体谐振器时应对其匹配的电容进行确认，一般IC厂家都会在给出典型电路的同时也给出晶体的规格及负载要求，只不过杂散电容的影响会造成频率的漂移和相位的不稳定，所以晶体也要做出相应的更改，因此在使用前要进行匹配测试，主要有几个注意要点：

1、激励功率的确定，在电路中IC提供给晶体的激励大小直接影响到晶体工作的稳定性，激励过大会导致晶体共振的破坏或蒸镀电极的蒸发，频率漂移或晶体损坏；

2、最佳电容值的确定，保证精确的频率输出；

3、负性阻抗的测试，如果负阻过小，而晶体谐振阻抗偏大，则会造成晶体难起振或工作不稳定，负阻至少要在晶体谐振阻抗的5-10倍以上。

注：

在应用晶体谐振器时应由生产厂家对其规格进行确认，一般IC厂家都会在给出典型电路的同时也给出晶体的规格及负载要求，只不过杂散电容的影响会造成频率的漂移和相位的不稳定，所以晶体也要做出相应的更改，因此在使用前要进行匹配测试，主要有几个注意要点：

4、激励功率的确定，在电路中IC提供给晶体的激励大小直接影响到晶体工作的稳定性，激励过大会导致晶体共振的破坏或蒸镀电极的蒸发，频率漂移或晶体损坏，对高频激励大晶体应考虑泛音晶体；

5、最佳电容值的确定，保证精确的频率输出；

6、负性阻抗的测试，如果负阻过小，而晶体谐振阻抗偏大，则会造成晶体难起振或工作不稳定，负阻至少要在晶体谐振阻抗的5-10倍以上。

了解今天的可编程振荡器

内容----知道它们的功能和应用将令您更迅捷地评估及选用合适的可编程振荡器

在加速产品开发周期和追求准时生产的时代，定时就是一切。

对一个设计工程师或项目开发工程师来说，几乎没有什么事情比花六个星期等待一个样机部件更令人恼怒的了，或许更糟的是，在紧张的生产过程中缺少一个关键部件，而这个部件恰好是晶体振荡器。

说到可编程振荡器，它的最大特点是几分钟内就能定置它的频率。

这种“一种型号全部搞定”器件的诱惑力是可想而知的。

以单个多用途部件代替库存几百种部件的方式为设计者、承包加工厂和其它从事大批量生产的电子公司带来巨大的灵活性，并创造出潜在的节约效果。

但是，切实可行地实现可编程振荡器替代固定频率元件只不过是最近才出现的。

象每一种新兴技术一样，可编程振荡器也经历了成长的磨难。

一致性问题就曾困扰了整整第一代设计产品。

1998年，一家厂商风风火火地推出了第二代可编程振荡器，可由于过高的抖动使其在一些对噪声敏感的应用中失败了。

幸亏关于可编程振荡器可靠性的指责是完全不符合实际的，除掉一些特例，现在的可编程振荡器能满足大多数样机的需要，适合大多数生产应用。

了解下列内容将有助于各位工程师充分享用可编程振荡器拥有的几乎是即时交货的时间优势，并保证它能默默地、连续可靠地工作。

把抖动困扰降到最小

可编程振荡器几乎在每一类、每一项技术规范上都能与固定频率的器件相匹敌，但抖动（相位噪声）却是个例外。

可编程器件的抖动有一部份来源于编程过程，或者更具体地说，来源于编程算法。

当算法中用到乘法时，抖动值突然显著增大，这主要是因为抖动被乘上了编程算法设置特定频率时所用的系数。

虽然为了得到所要的振荡器输出频率，算法中通常既需要用到乘法也需要用到除法，但除法并不加大抖动。

通过把编程算法的乘法系数减到最小，来自可编程器件的相位噪声可以做到和传统的固定频率器件很接近，这主要是晶体及振荡器电路产生的抖动。

SaRonix公司已规范了类似的编程过程。

保证可编程振荡器的每件产品都具有稳定一致的性能——这也同样具有重要意义，SaRonix公司通过采用自动设计流程以保证相同的编程算法用于有相同输出频率的所有部件。

由于有了这样的技术进步，现在几乎每个电路上都可采用可编程振荡元件——甚至可用于通信设备的某些电路中，例如，XDSL调制解调器。

虽然振荡器可能影响一个对抖动敏感的通信链路，但就在同一块电路板上，也可能有一个由振荡器驱动的DSP芯片，这个芯片则完全不受抖动的影响。

由于自身研制周期短，这些可编程振荡器能跟上保证设计计划按期完成的日程。

尽管有这个灵活性，但在大批量条件下，固定频率的器件仍然比较便宜。

另一方面，在进行样机生产时，可编程器件要比固定频率器件便宜。

因此，精明的战略是制造样机的时候在设计上采用可编程器件来验证电路，同时还把可编程振荡器作为生产后备部件。

随着设计评价的完成，再可以大量生产特定的固定频率器件以供批量使用。

凭借可编程器件可实现一种高效益的保险策略，以解决生产中关键部件短缺的问题。

可编程振荡器较短的研制周期使得生产部门能在大量订购通常所用的固定频率元件之前先采办替代部件，这样就无需支付额外费用，只要在生产最后期限迫近时迅速补充标准部件就行了。

虽然可编程振荡器件不可能完全取代固定频率振荡器，但可编程的概念肯定有足够的优点使得半导体生产商和主要振荡器生产公司不会放弃它的。

有理由相信，它的性能和价格将一代一代地得到改善。

伴随着抖动特性改善、价格进一步降低，新的优点将会使可编程器件更有吸引力。

一种节电的休眠模式——对依赖电池的移动设备至关重要——已经出现在可以供应现货的产品目录上。

一些其它特性诸如频率范围的扩展、可编程的双路输出和多路输出以及更大选择范围的输出驱动特性，都将大大提高生产、设计的灵活性。

理智的态度应该是对于可编程振荡器是否能在每个场合都起作用不抱成见，另方面，为了确定可编程振荡器能在什么地方有效地发挥作用，应该特别注意它们在每一个电路中的应用。

在进行设计的时候就判断这个应用是不是对抖动过于敏感，同时选定一个可编程振荡器，这种方式将有助于一个工程师最大限度发挥可编程振荡器的长处，实现当初选用它的初衷。

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。

与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，采用高精度和稳频措施后，石英晶体振荡器可以达到10-4~10-9的频率稳定度。

一．石英晶体振荡器频率稳定度

石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度，由第2章可知，是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性，具体表现为：

（1）石英晶体谐振器具有很高的标准性。

石英晶体振荡器的振荡频率主要由于石英晶体谐振器的谐振频率决定。

石英晶体的串联谐振频率fq主要取决于晶片的尺寸，石英晶体的物理性能和化学性能都十分稳定，它的尺寸受外界条件如温度、湿度等影响很小，因而其等效电路的Lq、Cq值很稳定，使得fq很稳定。

（2）石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小，一般为10-3~10-4。

这大大减弱了有源器件的极间电容等参数和外电路中不稳定因素对石英晶体振荡器决定频率振荡系统的影响。

（3）石英晶体谐振器具有非常高的Q值。

Q值一般为104~106，与Q值仅为几百数量级的普通LC回路相比，其Q值极高，维持振荡频率稳定不变的能力极强。

二．晶体振荡器电路

晶体振荡器的电路类型很多，但根据晶体在电路中的作用，可以将晶体振荡器归为两大类：

并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。

在并联型晶体振荡器中，晶体起等效电感的作用，它和其它电抗元件组成决定频率的并联谐振回路与晶体管相连。

由晶体的阻抗频率特性可知，并联型晶体振荡器的振荡频率在石英晶体谐振器的fq与fp之间；在串联型晶体振荡器中，振荡器工作在邻近fq处，晶体以低阻抗接入电路，即晶体起选频短路线的作用。

两类电路都可以利用基频晶体或泛音晶体。

1．并联型晶体振荡器

图1示出了一种典型的晶体振荡器电路，当振荡器的频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡器的组成原则，而且该电路与电容反馈的振荡器对应，通常称为皮尔斯振荡器。

C3起到微调振荡频率的作用，同时也起到减小晶体管和晶体之间的耦合作用。

C1、C2既是回路一部分，也是反馈电路。

皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定，即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定，设外部电容为CL，则

式

（1）

由图有

式

（2）

将式

（1）用图形表示为图2的情形。

图中有两个交点，靠近晶体串联频率ωq附近的ω1是稳定工作点。

当ω1靠近ωq时，由图2，电抗Xe与忽略晶体损耗时的晶体电抗很接近，因此振荡频率f1等于包括并联电容CL在内的并联谐振频率。

因CL实际与晶体静电容并联，因此只要引入一等效接入系数p’

式（3）

则由前面并联谐振频率公式可得

式（4）

由上式可见，改变CL可以微调振荡频率。

通常电路中C3≤C1，C2，CL主要由C3决定，实际电路中用与晶体串一小电容C3来微调振荡频率。

通常，晶体制造厂家为便利用户，对用于并联型电路的晶体，规定一标准的负载电容CL，可以将振荡频率调整到晶体标称频率上。

在几兆赫兹至几十兆赫兹范围，一般CL规定为30Pf。

、

反馈系数F的大小为

式（5）

由于晶体的品质因数Qq很高，故其并联谐振电阻R0也很高，虽然接入系数p较小，但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高，所以放大器的增益较高，电路很容易满足振幅起振条件。

图3是并联型晶体振荡器的实际电路，其适宜的工作频率范围为0.85~15MHz。

如图4示出了另一种并联型晶体振荡器电路，该电路晶体接在基极和发射极之间，只要晶体呈现感性，该电路即满足三端式振荡器的组成原则，且电路类似于电感反馈的振荡器，又称为密勒振荡器。

由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数QL，故密勒振荡器的频率稳定度较低。