石英晶體振蕩電路

1、石英晶體振蕩電路石英晶體諧振器 , 簡稱 石英晶體 , 具有非常穩(wěn)定的固有頻率。 對于振蕩 頻率的穩(wěn)定性要求高的電路 , 應選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡。一、石英晶體的特點將二氧化硅（SiO2）結晶體按一 定的方向切割成很薄的晶片 , 再將晶 片兩個對應的表面拋光和涂敷銀層 , 并作為兩個極引出管腳 , 加以封裝 , 就構成石英晶體諧振器。其結構示意 圖和符號如右圖所示。1. 壓電效應和壓電振蕩在石英晶體兩個管腳加交變電場時 , 它將會產有利于一定頻率的機械變形 而這種機械振動又會產生交變電場 , 上述物理現(xiàn)象稱為 壓電效應 。 一般情況下 無論是機械振動的振幅 , 還是交變電場的振幅都非常小。 但

2、是 , 當交變電場的頻 率為某一特定值時 , 振幅驟然增大 , 產生共振 , 稱之為 壓電振蕩 。這一特定頻率 就是石英晶體的固有頻率 , 也稱諧振頻率 。2. 石英晶體的等效電路和振蕩頻率石英晶體的等效電路如下圖（a）所示。當石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容 C0, 稱為 靜態(tài)電容 ；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積 , 一般約 為幾到幾十皮法。 當晶片產生振動時 , 機械振動的慣性等效為電感 L, 其值為幾 毫亨。晶片的彈性等效為電容C,其值僅為0.01到O.lpF,因此，CvvCo晶片 的磨擦損耗等效為電阻R其值約為100Q,理想情況下R=0o當?shù)刃щ娐分械?L、C、R支路產生串

3、聯(lián)諧振時，該支路呈純阻性，等效電阻為R諧振頻率諧振 頻率下整個網(wǎng)絡的電抗等于 R并聯(lián)G的容抗,因Rv<3 0C0,故可近似認為石英晶 體也呈純阻性,等效電阻為Ro當fvfs時,C0和C電抗較大,起主導作用,石英晶體呈容性。當f>fs時，L、C、R支路呈感性，將與C0產生并聯(lián)諧振,石英晶 體又呈純阻性,諧振頻率由于CvvG,所以fp-fso當f>fp時，電抗主要決定于C0,石英晶體又呈容性。因此，石英晶體電抗的頻率特性如上圖所示，只有在 fs<f<fp的情況下,石英晶體才呈現(xiàn) 感性；并且G和C的容量相差愈懸殊，fs和fp 愈接近，石英晶體呈感性的頻帶愈狹。根據(jù)品質因

4、數(shù)的表達式由于 C和R的數(shù)值都很小，L數(shù)值很大，所以Q值高達104106。頻率穩(wěn)定度 f/f 0可達10-610-8, 采用穩(wěn)頻措施后可達10-1010-11。而LC振蕩器的Q值只能達到幾百,頻率穩(wěn)定度 只能達到 10-5o二、石英晶體正弦波振蕩電路1. 并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路如果用石英晶體取代LC振蕩電路中的電感，就得到并聯(lián)型石英晶體正弦波 振蕩電路, 如左下圖所示 , 電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率 。2. 串聯(lián)型石英晶體振蕩電路如右上圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。電容 Cb為旁路電容，對交流信號 可視為短路。 電路的第一級為共基放大電路 , 第二級為共集放大電路。 若斷

5、開反 饋，給放大電路加輸入電壓是，極性上“+”下“-”；則Ti管集電極動態(tài)電位為“ +” , T2管的發(fā)射極動態(tài)電位也為“ +”。只有在石英晶體呈純阻性，即產生串 聯(lián)諧振時 , 反饋電壓才與輸入電壓同相 , 電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條 件。所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率 fs。調整R的阻值，可使 電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。石英晶體基礎知識1、石英晶體的應用：a、石央鐘b、溫度計c、壓力指示器（頻率與應力）d、加速度計2、晶體的自然面及解理面平行于原子面 3、石英的機械、電氣、化學和溫度等綜合性能，都滿足需要電氣通訊領域。4、石英生長愈慢、質量愈佳。5、大部分高質量石英

6、晶體產自巴西。6結晶缺陷：a、晶格空位b、填隙原子c、夾雜原子d、生長位錯7、BT切比AT切片厚50%8、現(xiàn)在通訊系統(tǒng)需要較寬溫度范圍，頻率偏移要小。9、典型晶體元件指標：a、工作頻率：50MHzb、溫度范圍：-55+105Cc、頻率漂移：土 50ppm10、 天然石英與培育石英之間差別：a、雜質原子 b、填隙原子 c、晶格空 位11、 石英晶體的培育：居里溫度點：>573°C貝他石英 結構：六角形<573 C a 石英結構：三角形12 、高壓釜典型尺寸長為35米；直徑：半米或半米以上；壁厚：1015cm溫度：約350 C ；壓 力：約 1400 大氣壓13、石英壓電晶體

7、作用：對電氣通訊中的載波記號頻率進行控制和管理。14、石英元件實現(xiàn)了壓電振子的機械諧振頻率同電路之間的耦合。 （機電換能器）15、壓電理論：石英的機械特性與電路是通過壓效應來實現(xiàn)耦合的。 石英晶體元件在振蕩器電路中的功能是劃分出等時間間隔，（穩(wěn)定振蕩頻率）。 一維振動： 只要起控制作用的那一維尺寸比其他維尺寸大得多或小得多， 那么振 動就能夠被看成是近似一維的?；顒有韵陆担?在壓電振子的溫度改變時， 偶爾會有一種模的頻率與振蕩器頻率重 合，所產生的額外能耗減少了振蕩 （活動性）的幅度。 這種現(xiàn)象稱為活動性下降。 當頻率遠離諧振頻率時，石英片等效于簡單的平行板電容器。16、為了得到最大的穩(wěn)定性，

8、晶體元件應工作于最低振幅，即最低的激勵電平。17、AT和BT切石英晶體元件的主模頻率取決于片子厚度，而大部分寄生模的頻 率則取決于側面尺寸。18、如果非活動帶的寬度大于片子厚度 20 倍或 20倍以上，它也可以成為支撐片 的非活動區(qū)。19、減小石英片表面的曲率半徑， 非諧波泛音模的頻率就會向高處移動， 而且泛 音頻譜也會變得更為疏散。20、修外形對參數(shù)的影響：修整的不多： 由于支架引起的阻尼損耗就會有所減少， 而且由于寄生模與主模分 開了，等效電阻值就會下降。繼續(xù)修下去：R值又會升高，因為振動面積縮小了。L升高而C下降 r=cO/c，也會受影響。大而薄的 AF片子：r理論值為154，測量值總是

9、大于 154，通過仔細調整與外形有關的電極區(qū)尺寸可以獲得 r 值低達19O。21、影響諧振器頻率穩(wěn)定性因素：a、使用的原材料不當b、石英晶片表面層加 工不良c、表層污染 d、蒸發(fā)的銀膜層附著性差22、石英諧振器的失效模式：a、開路（支架脫落、脫錫）b、短路（外殼封裝系統(tǒng)機械損傷）c、頻率穩(wěn)定性差（石英晶片表面清潔處理不良，銀膜層附著不牢以及晶片表面加工不佳）23、石英諧振器可等效成一個 R、L、C組成的等效電路（在諧振頻率附近），這 些等效參數(shù)與很多因素有關，其中電極面積大小即為因素之一。不連續(xù)銀膜層使 石英晶片電極的有效面積減小，從而影響頻率穩(wěn)定性。24、石英晶片表面的缺陷：腐蝕時間、溫度以

10、及腐蝕液的濃度控制不嚴， 將使石英晶片腐蝕強度過大，造成 石英晶片表面粗糙度大，裂紋多等缺陷。25、 銀膜表面斑痕是制造工藝中使用的水純度低所致，通過提高水的純度，提高 了石英晶片的合格率。26、 石英晶片表面的粗糙度對銀膜有很大影響，為了保證銀膜層的連續(xù)性，一定 要嚴格控制腐蝕工藝。石英晶體是由水熱法生長的一種功能材料，有優(yōu)良的壓電性能和光學性能，物理、化學性能穩(wěn)定，具有左右旋結構特征，在0.154m的范圍內，有較好的透過率。性能指標：品質因素： 2.4 X 106包裹體：I級,Ia級腐蝕隧道密度： 200/cm2密度：2.65g/cm3熔點：1713C莫氏硬度：7楊氏模量：97.2GPa（

11、/Z）, 76.5Gpa（丄Z）應用范圍：可用作棱鏡、濾光片、偏振片、波片、旋光片等，可制成各種體波和聲表面波振蕩器、諧振器和濾波器石英晶體諧振器基礎知識石英晶體諧振器基礎知識（1）石英晶體諧振器（簡稱晶振）的結構 石英晶體諧振器是利用石英晶體 (二氧化矽的結晶體) 的壓電效應制成的一種諧振器件， 它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以 是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各 焊一根引線接到管腳上， 再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或 晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封

12、裝的。(2) 壓電效應 若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側 施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果 在晶片的兩極上加交變電壓， 晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交 變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交 變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象 稱為壓電諧振，它與 LC 回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、 幾何形狀、尺寸等有關。(3) 符號和等效電路石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖所示。 當晶體不振動時，

13、 可把它看成一個平板電 容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個pF到幾 十pF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH晶片的彈性可用電容 C來等效，C的值很小，一般只有 0.00020.1pF。晶片振 動時因摩擦而造成的損耗用 R來等效，它的數(shù)值約為100Q。由于晶片的等效電感很大， 而C很小，R也小，因此回路的品質因 數(shù)Q很大，可達100010000。加上晶片本身的 諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此 利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定性。(4) 諧振頻率從石英晶體諧

14、振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即a、 當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)諧振頻率用 fs表示，石英晶體對于串聯(lián)諧振頻率 fs呈純阻性。b、 當頻率高于fs時L、C R支路呈感性，可與電容 C發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用 fd 表示。根據(jù)石英晶體的等效電路， 可定性畫出它的頻率特性曲線圖所示?？梢姰旑l率低于串聯(lián) 諧振頻率fs或者頻率咼于并聯(lián)諧振頻率fd時，石英晶體呈電容性。僅在f s< fv f d 極窄的范圍內，石英晶體呈電感性。To晶體符號等效電路頻率特性曲線圖石英晶體諧振器外形圖片石英晶體諧振器的分類及特點石英晶體諧振器是由品質因素極高的石英晶體振

15、子 （即諧振器和振蕩電路）組成。 晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定諧振器的性能。 國際電工委員會（IEC）將石英晶體諧振器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO, 電壓控制式晶體諧振器（VCXO，溫度補償式晶體振蕩（TCXO，恒溫控制式晶 體振蕩（OCXO。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩（DCXO等。(1)普通晶體諧振器(SPXO可產生10-510-4量級的頻率精度，標準頻率 100MHZ頻率穩(wěn)定度是土 100ppm SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價 格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21X14X 6mm及 5X 3.2 x 1.5mm 電壓控

16、制式晶體諧振器(VCXO的精度是10-610-5量級，頻率范圍130MHz 低容差諧振器的頻率穩(wěn)定度是土 50ppm通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14x 10x 3mm。(3)溫度補償式晶體諧振器(TCXO采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率 精度達到10-710-6量級，頻率范圍1 60MHz頻率穩(wěn)定度為土 1土 2.5ppm, 封裝尺寸從30x 30x 15mm至 11.4 x 9.6 x 3.9mm通常用于手持電話、蜂窩電話、 雙向無線通信設備等。 恒溫控制式晶體諧振器(OCXO將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán) 境溫度變化對頻率的影響。 OCXO頻率精度是10-710-8量級，對某些

17、特殊應用 甚至達到更高。頻率穩(wěn)定性在四種類型諧振器中最高。石英晶體諧振器的主要參數(shù)晶振的主要參數(shù) 有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度 等。不同的 晶振標稱頻率 不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。 如常用普通晶振標 稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MH40.50 MHz等，對于特殊要求 的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有不具標稱頻率的，如 CRB、ZTB Ja等 系列。負載電容 是指晶振的兩條引線連接 IC 塊內部及外部所有有效電容之和，可看作 晶振片在電路中串接電容。 負載頻率不同決定諧振器的振蕩頻率不同。 標稱頻率 相同的晶振， 負載電容不一定相

18、同。 因為石英晶體諧振器有兩個諧振頻率， 一個 是串聯(lián)諧振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)諧振晶振的高負載電容晶振。 所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一致， 不能冒然互換， 否 則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定： 由于普通晶振的性能基本性能達到一般電器的要求， 對于 高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定性。頻率精度從 量級到量級不等。穩(wěn)定度從±到±00ppm不等。這要根據(jù)具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡， 無線資料傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體諧振器。 因此，晶振 的參數(shù)決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據(jù)具體要求選擇適當

19、的晶 振，因不同性能的晶振其價格不同， 要求越高價格也越貴， 一般選擇只要滿足要 求即可。壓電石英晶體壓電石英晶體是用量僅次于單晶硅的電子材料，用于制造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應用于電子信息產業(yè)各領域，如彩電、空調、電腦、DVD、無電線通訊等，尤其在高性能電子設備及數(shù)字化設備中應用日益擴大。工廠所屬水晶分廠在壓電晶體生產技術和管理上均具國內領先水平。是國內唯一能批量生產腐蝕隧道密度在 100條/cm2以下壓電晶體的生產廠 家。低腐蝕隧道密度壓電晶體是生產 SMD頻率片、手機頻率片的必需材料。壓電晶體產品品種主要有：Z棒、丫棒、厚度片、頻率片石英晶體的壓電效應石英晶體的坐標軸選取石英晶體

20、的坐標軸選取某些晶體，當沿著一定方向受到外力作用時，內部會產生極化現(xiàn)象，同 時在某兩個表面上產生大小相等符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復 到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力 所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象叫壓電效應。反之，如對 晶體施加電場，晶體將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤去后， 該變形也隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應。石英晶體的壓電特性離子位置圖壓電晶體分類根據(jù)晶振的功能和實現(xiàn)技術的不同，可以將晶振分為以下四類:1）恒溫晶體振蕩器（以下簡稱OCXO）這類型晶振對溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術，將晶體置于 恒溫槽內，通過設置恒溫工作點，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內不 受外界溫度影響，達到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類晶振主要用于各種類型 的通信設備， 包括交換機、 SDH 傳輸設備、 移動通信直放機、 GPS 接收機、 電臺、數(shù)字電視及軍工設備等領域。根據(jù)用戶需要，該類型晶振可以帶壓 控引腳。 OCXO 的工作原理如下圖