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(jiǎn)稱(chēng) 石英晶體 , 具有非常穩(wěn)定的固有頻率。 對(duì)于振蕩 頻率的穩(wěn)定性要求高的電路 , 應(yīng)選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡(luò)。一、石英晶體的特點(diǎn)將二氧化硅（SiO2）結(jié)晶體按一 定的方向切割成很薄的晶片 , 再將晶 片兩個(gè)對(duì)應(yīng)的表面拋光和涂敷銀層 , 并作為兩個(gè)極引出管腳 , 加以封裝 , 就構(gòu)成石英晶體諧振器。其結(jié)構(gòu)示意 圖和符號(hào)如右圖所示。1. 壓電效應(yīng)和壓電振蕩在石英晶體兩個(gè)管腳加交變電場(chǎng)時(shí) , 它將會(huì)產(chǎn)有利于一定頻率的機(jī)械變形 而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng) , 上述物理現(xiàn)象稱(chēng)為 壓電效應(yīng) 。 一般情況下 無(wú)論是機(jī)械振動(dòng)的振幅 , 還是交變電場(chǎng)的振幅都非常小。 但

2、是 , 當(dāng)交變電場(chǎng)的頻 率為某一特定值時(shí) , 振幅驟然增大 , 產(chǎn)生共振 , 稱(chēng)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(chēng)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(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容 C0, 稱(chēng)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(dāng)晶片產(chǎn)生振動(dòng)時(shí) , 機(jī)械振動(dòng)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(dāng)?shù)刃щ娐分械?L、C、R支路產(chǎn)生串

3、聯(lián)諧振時(shí)，該支路呈純阻性，等效電阻為R諧振頻率諧振 頻率下整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電抗等于 R并聯(lián)G的容抗,因Rv<3 0C0,故可近似認(rèn)為石英晶 體也呈純阻性,等效電阻為Ro當(dāng)fvfs時(shí),C0和C電抗較大,起主導(dǎo)作用,石英晶體呈容性。當(dāng)f>fs時(shí)，L、C、R支路呈感性，將與C0產(chǎn)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(dāng)f>fp時(shí)，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(zhì)因

4、數(shù)的表達(dá)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(dá)104106。頻率穩(wěn)定度 f/f 0可達(dá)10-610-8, 采用穩(wěn)頻措施后可達(dá)10-1010-11。而LC振蕩器的Q值只能達(dá)到幾百,頻率穩(wěn)定度 只能達(dá)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(duì)交流信號(hào) 可視為短路。 電路的第一級(jí)為共基放大電路 , 第二級(jí)為共集放大電路。 若斷

5、開(kāi)反 饋，給放大電路加輸入電壓是，極性上“+”下“-”；則Ti管集電極動(dòng)態(tài)電位為“ +” , T2管的發(fā)射極動(dòng)態(tài)電位也為“ +”。只有在石英晶體呈純阻性，即產(chǎn)生串 聯(lián)諧振時(shí) , 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(diào)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(chǔ)知識(shí)1、石英晶體的應(yīng)用：a、石央鐘b、溫度計(jì)c、壓力指示器（頻率與應(yīng)力）d、加速度計(jì)2、晶體的自然面及解理面平行于原子面 3、石英的機(jī)械、電氣、化學(xué)和溫度等綜合性能，都滿足需要電氣通訊領(lǐng)域。4、石英生長(zhǎng)愈慢、質(zhì)量愈佳。5、大部分高質(zhì)量石英

6、晶體產(chǎn)自巴西。6結(jié)晶缺陷：a、晶格空位b、填隙原子c、夾雜原子d、生長(zhǎng)位錯(cuò)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(biāo)：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(zhì)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(diǎn)：>573°C貝他石英 結(jié)構(gòu)：六角形<573 C a 石英結(jié)構(gòu)：三角形12 、高壓釜典型尺寸長(zhǎng)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(duì)電氣通訊中的載波記號(hào)頻率進(jìn)行控制和管理。14、石英元件實(shí)現(xiàn)了壓電振子的機(jī)械諧振頻率同電路之間的耦合。 （機(jī)電換能器）15、壓電理論：石英的機(jī)械特性與電路是通過(guò)壓效應(yīng)來(lái)實(shí)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(shí)間間隔，（穩(wěn)定振蕩頻率）。 一維振動(dòng)： 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(dòng)就能夠被看成是近似一維的?；顒?dòng)性下降： 在壓電振子的溫度改變時(shí)， 偶爾會(huì)有一種模的頻率與振蕩器頻率重 合，所產(chǎn)生的額外能耗減少了振蕩 （活動(dòng)性）的幅度。 這種現(xiàn)象稱(chēng)為活動(dòng)性下降。 當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，石英片等效于簡(jiǎn)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(yīng)工作于最低振幅，即最低的激勵(lì)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(cè)面尺寸。18、如果非活動(dòng)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(dòng)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(huì)向高處移動(dòng)， 而且泛 音頻譜也會(huì)變得更為疏散。20、修外形對(duì)參數(shù)的影響：修整的不多： 由于支架引起的阻尼損耗就會(huì)有所減少， 而且由于寄生模與主模分 開(kāi)了，等效電阻值就會(huì)下降。繼續(xù)修下去：R值又會(huì)升高，因?yàn)檎駝?dòng)面積縮小了。L升高而C下降 r=cO/c，也會(huì)受影響。大而薄的 AF片子：r理論值為154，測(cè)量值總是

9、大于 154，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整與外形有關(guān)的電極區(qū)尺寸可以獲得 r 值低達(dá)19O。21、影響諧振器頻率穩(wěn)定性因素：a、使用的原材料不當(dāng)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(kāi)路（支架脫落、脫錫）b、短路（外殼封裝系統(tǒng)機(jī)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(gè) 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(guān)，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(shí)間、溫度以

10、及腐蝕液的濃度控制不嚴(yán)， 將使石英晶片腐蝕強(qiáng)度過(guò)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(guò)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(duì)銀膜有很大影響，為了保證銀膜層的連續(xù)性，一定 要嚴(yán)格控制腐蝕工藝。石英晶體是由水熱法生長(zhǎng)的一種功能材料，有優(yōu)良的壓電性能和光學(xué)性能，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，具有左右旋結(jié)構(gòu)特征，在0.154m的范圍內(nèi)，有較好的透過(guò)率。性能指標(biāo)：品質(zhì)因素： 2.4 X 106包裹體：I級(jí),Ia級(jí)腐蝕隧道密度： 200/cm2密度：2.65g/cm3熔點(diǎn)：1713C莫氏硬度：7楊氏模量：97.2GPa（

11、/Z）, 76.5Gpa（丄Z）應(yīng)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(chǔ)知識(shí)石英晶體諧振器基礎(chǔ)知識(shí)（1）石英晶體諧振器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）的結(jié)構(gòu) 石英晶體諧振器是利用石英晶體 (二氧化矽的結(jié)晶體) 的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件， 它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以 是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各 焊一根引線接到管腳上， 再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或 晶體、晶振。其產(chǎn)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(yīng) 若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè) 施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果 在晶片的兩極上加交變電壓， 晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交 變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交 變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象 稱(chēng)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(guān)。(3) 符號(hào)和等效電路石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖所示。 當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，

13、 可把它看成一個(gè)平板電 容器稱(chēng)為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)pF到幾 十pF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)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(lái)等效，C的值很小，一般只有 0.00020.1pF。晶片振 動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用 R來(lái)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(zhì)因 數(shù)Q很大，可達(dá)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(guān)，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(gè)諧振頻率，即a、 當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，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(duì)于串聯(lián)諧振頻率 fs呈純阻性。b、 當(dāng)頻率高于fs時(shí)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(huà)出它的頻率特性曲線圖所示。可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián) 諧振頻率fs或者頻率咼于并聯(lián)諧振頻率fd時(shí)，石英晶體呈電容性。僅在f s< fv f d 極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈電感性。To晶體符號(hào)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(lèi)及特點(diǎn)石英晶體諧振器是由品質(zhì)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(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定諧振器的性能。 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體諧振器分為4類(lèi)：普通晶體振蕩（TCXO, 電壓控制式晶體諧振器（VCXO，溫度補(bǔ)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(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO等。(1)普通晶體諧振器(SPXO可產(chǎn)生10-510-4量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率 100MHZ頻率穩(wěn)定度是土 100ppm SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià) 格低廉，通常用作微處理器的時(shí)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(jí)，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(bǔ)償式晶體諧振器(TCXO采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率 精度達(dá)到10-710-6量級(jí)，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(wú)線通信設(shè)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(duì)頻率的影響。 OCXO頻率精度是10-710-8量級(jí)，對(duì)某些

17、特殊應(yīng)用 甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定性在四種類(lèi)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(biāo)稱(chēng)頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度 等。不同的 晶振標(biāo)稱(chēng)頻率 不同，標(biāo)稱(chēng)頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。 如常用普通晶振標(biāo) 稱(chēng)頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MH40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求 的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有不具標(biāo)稱(chēng)頻率的，如 CRB、ZTB Ja等 系列。負(fù)載電容 是指晶振的兩條引線連接 IC 塊內(nèi)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(fù)載頻率不同決定諧振器的振蕩頻率不同。 標(biāo)稱(chēng)頻率 相同的晶振， 負(fù)載電容不一定相

18、同。 因?yàn)槭⒕w諧振器有兩個(gè)諧振頻率， 一個(gè) 是串聯(lián)諧振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)諧振晶振的高負(fù)載電容晶振。 所以，標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一致， 不能冒然互換， 否 則會(huì)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(dá)到一般電器的要求， 對(duì)于 高檔設(shè)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(jí)到量級(jí)不等。穩(wěn)定度從±到±00ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)， 無(wú)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(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)

19、的晶 振，因不同性能的晶振其價(jià)格不同， 要求越高價(jià)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?jī)H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(yīng)用于電子信息產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域，如彩電、空調(diào)、電腦、DVD、無(wú)電線通訊等，尤其在高性能電子設(shè)備及數(shù)字化設(shè)備中應(yīng)用日益擴(kuò)大。工廠所屬水晶分廠在壓電晶體生產(chǎn)技術(shù)和管理上均具國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。是國(guó)內(nèi)唯一能批量生產(chǎn)腐蝕隧道密度在 100條/cm2以下壓電晶體的生產(chǎn)廠 家。低腐蝕隧道密度壓電晶體是生產(chǎn) SMD頻率片、手機(jī)頻率片的必需材料。壓電晶體產(chǎn)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(yīng)石英晶體的坐標(biāo)軸選取石英晶體

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