晶振電路原理

1、 晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振。在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率

2、。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為15p或12.5p ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè)22p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。晶體振蕩器也分為無(wú)源晶振和有源晶振兩種類型。無(wú)源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同，無(wú)源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。無(wú)源晶振需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)，所以

3、“無(wú)源晶振”這個(gè)說法并不準(zhǔn)確；有源晶振是一個(gè)完整的諧振振蕩器。諧振振蕩器包括石英（或其晶體材料）晶體諧振器，陶瓷諧振器，LC諧振器等。晶振與諧振振蕩器有其共同的交集有源晶體諧振振蕩器。石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)，從物理學(xué)中知道，若在晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如在極板間所加的是交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。一般來(lái)說，這種機(jī)械振動(dòng)的振幅是比較小的，其振動(dòng)頻率則是很穩(wěn)定的。但當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（決定于晶片的尺寸）相等時(shí)，機(jī)械

4、振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，因此石英晶體又稱為石英晶體諧振器。 其特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高。石英晶體振蕩器與石英晶體諧振器都是提供穩(wěn)定電路頻率的一種電子器件。石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來(lái)起振，而石英晶體諧振器是利用石英晶體和內(nèi)置IC來(lái)共同作用來(lái)工作的。振蕩器直接應(yīng)用于電路中，諧振器工作時(shí)一般需要提供3.3V電壓來(lái)維持工作。振蕩器比諧振器多了一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為：諧振電阻（RR），諧振器沒有電阻要求。RR的大小直接影響電路的性能，也是各商家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要參數(shù)。概述微控制器的時(shí)鐘源可以分為兩類：基于機(jī)械諧振器件的時(shí)鐘源，如晶振、陶瓷諧振槽路；基于相移電路的時(shí)鐘源，如：RC (

5、電阻、電容)振蕩器。硅振蕩器通常是完全集成的RC振蕩器，為了提高穩(wěn)定性，包含有時(shí)鐘源、匹配電阻和電容、溫度補(bǔ)償?shù)取D1給出了兩種時(shí)鐘源。圖1給出了兩個(gè)分立的振蕩器電路，其中圖1a為皮爾斯振蕩器配置，用于機(jī)械式諧振器件，如晶振和陶瓷諧振槽路。圖1b為簡(jiǎn)單的RC反饋振蕩器。機(jī)械式諧振器與RC振蕩器的主要區(qū)別基于晶振與陶瓷諧振槽路(機(jī)械式)的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。相對(duì)而言，RC振蕩器能夠快速啟動(dòng)，成本也比較低，但通常在整個(gè)溫度和工作電源電壓范圍內(nèi)精度較差，會(huì)在標(biāo)稱輸出頻率的5%至50%范圍內(nèi)變化。圖1所示的電路能產(chǎn)生可靠的時(shí)鐘信號(hào)，但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇以及振蕩

6、器電路布局的影響。需認(rèn)真對(duì)待振蕩器電路的元件選擇和線路板布局。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。具有高Q值的晶振對(duì)放大器的選擇并不敏感，但在過驅(qū)動(dòng)時(shí)很容易產(chǎn)生頻率漂移(甚至可能損壞)。影響振蕩器工作的環(huán)境因素有：電磁干擾(EMI)、機(jī)械震動(dòng)與沖擊、濕度和溫度。這些因素會(huì)增大輸出頻率的變化，增加不穩(wěn)定性，并且在有些情況下，還會(huì)造成振蕩器停振。振蕩器模塊上述大部分問題都可以通過使用振蕩器模塊避免。這些模塊自帶振蕩器、提供低阻方波輸出，并且能夠在一定條件下保證運(yùn)行。最常用的兩種類型是晶振模塊和集成硅振蕩器。晶振模塊提供與分立晶振相同的精度。硅振蕩器的精度要比分立R

7、C振蕩器高，多數(shù)情況下能夠提供與陶瓷諧振槽路相當(dāng)?shù)木取９倪x擇振蕩器時(shí)還需要考慮功耗。分立振蕩器的功耗主要由反饋放大器的電源電流以及電路內(nèi)部的電容值所決定。CMOS放大器功耗與工作頻率成正比，可以表示為功率耗散電容值。比如，HC04反相器門電路的功率耗散電容值是90pF。在4MHz、5V電源下工作時(shí)，相當(dāng)于1.8mA的電源電流。再加上20pF的晶振負(fù)載電容，整個(gè)電源電流為2.2mA。陶瓷諧振槽路一般具有較大的負(fù)載電容，相應(yīng)地也需要更多的電流。相比之下，晶振模塊一般需要電源電流為10mA至60mA。硅振蕩器的電源電流取決于其類型與功能，范圍可以從低頻(固定)器件的幾個(gè)微安到可編程器件的幾個(gè)毫安

8、。一種低功率的硅振蕩器，如MAX7375，工作在4MHz時(shí)只需不到2mA的電流。結(jié)論在特定的微控制器應(yīng)用中，選擇最佳的時(shí)鐘源需要綜合考慮以下一些因素：精度、成本、功耗以及環(huán)境需求。下表給出了幾種常用的振蕩器類型，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。晶振的基本原理及特性晶振一般采用如圖1a的電容三端式(考畢茲) 交流等效振蕩電路；實(shí)際的晶振交流等效電路如圖1b，其中Cv是用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般用變?nèi)荻O管加上不同的反偏電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也是壓控作用的機(jī)理；把晶體的等效電路代替晶體后如圖1c。其中Co，C1，L1，RR是晶體的等效電路。 分析整個(gè)振蕩槽路可知，利用Cv來(lái)改變頻率是有限的：決定振蕩頻率的整個(gè)槽路電容C

9、=Cbe,Cce,Cv三個(gè)電容串聯(lián)后和Co并聯(lián)再和C1串聯(lián)?？梢钥闯觯篊1越小，Co越大，Cv變化時(shí)對(duì)整個(gè)槽路電容的作用就越小。因而能“壓控”的頻率范圍也越小。實(shí)際上，由于C1很小(1E-15量級(jí))，Co不能忽略(1E-12量級(jí)，幾PF)。所以，Cv變大時(shí)，降低槽路頻率的作用越來(lái)越小，Cv變小時(shí)，升高槽路頻率的作用卻越來(lái)越大。這一方面引起壓控特性的非線性，壓控范圍越大，非線性就越厲害；另一方面，分給振蕩的反饋電壓(Cbe上的電壓)卻越來(lái)越小，最后導(dǎo)致停振。 采用泛音次數(shù)越高的晶振，其等效電容C1就越?。灰虼祟l率的變化范圍也就越小。 晶振的指標(biāo) 總頻差：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，由于規(guī)定的工作和非工作參數(shù)

10、全部組合而引起的晶體振蕩器頻率與給定標(biāo)稱頻率的最大偏差。 說明：總頻差包括頻率溫度穩(wěn)定度、頻率老化率造成的偏差、頻率電壓特性和頻率負(fù)載特性等共同造成的最大頻差。一般只在對(duì)短期頻率穩(wěn)定度關(guān)心，而對(duì)其他頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不嚴(yán)格要求的場(chǎng)合采用。例如：精密制導(dǎo)雷達(dá)。 頻率穩(wěn)定度：任何晶振，頻率不穩(wěn)定是絕對(duì)的，程度不同而已。一個(gè)晶振的輸出頻率隨時(shí)間變化的曲線如圖2。圖中表現(xiàn)出頻率不穩(wěn)定的三種因素：老化、飄移和短穩(wěn)。圖片附件: 1.jpg (2007-8-11 09:47, 13.51 K)圖片附件: 2.jpg (2007-8-11 09:47, 17.57 K)廣告 jingjing1489 普通職員UI

11、D 98053精華 0經(jīng)驗(yàn)值 45帖子 25閱讀權(quán)限 255注冊(cè) 2007-4-22狀態(tài) 離線 #2發(fā)表于 2007-8-11 10:11 資料 短消息 曲線1是用0.1秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的短穩(wěn)；曲線3是用100秒測(cè)量一次的情況，表現(xiàn)了晶振的漂移；曲線4 是用1天一次測(cè)量的情況。表現(xiàn)了晶振的老化。頻率溫度穩(wěn)定度：在標(biāo)稱電源和負(fù)載下，工作在規(guī)定溫度范圍內(nèi)的不帶隱含基準(zhǔn)溫度或帶隱含基準(zhǔn)溫度的最大允許頻偏。 ft=(fmax-fmin)/(fmax+fmin) ftref MAX(fmax-fref)/fref，(fmin-fref)/fref ft：頻率溫度穩(wěn)定度(不帶隱含基準(zhǔn)溫度) f

12、tref：頻率溫度穩(wěn)定度(帶隱含基準(zhǔn)溫度) fmax ：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最高頻率 fmin：規(guī)定溫度范圍內(nèi)測(cè)得的最低頻率 fref：規(guī)定基準(zhǔn)溫度測(cè)得的頻率 說明：采用ftref指標(biāo)的晶體振蕩器其生產(chǎn)難度要高于采用ft指標(biāo)的晶體振蕩器,故ftref指標(biāo)的晶體振蕩器售價(jià)較高。 開機(jī)特性（頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間）：指開機(jī)后一段時(shí)間(如5分鐘)的頻率到開機(jī)后另一段時(shí)間(如1小時(shí))的頻率的變化率。表示了晶振達(dá)到穩(wěn)定的速度。這指標(biāo)對(duì)經(jīng)常開關(guān)的儀器如頻率計(jì)等很有用。 說明：在多數(shù)應(yīng)用中，晶體振蕩器是長(zhǎng)期加電的，然而在某些應(yīng)用中晶體振蕩器需要頻繁的開機(jī)和關(guān)機(jī)，這時(shí)頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間指標(biāo)需要被考慮到（尤其是對(duì)于在苛

13、刻環(huán)境中使用的軍用通訊電臺(tái)，當(dāng)要求頻率溫度穩(wěn)定度0.3ppm(-4585)，采用OCXO作為本振，頻率穩(wěn)定預(yù)熱時(shí)間將不少于5分鐘，而采用MCXO只需要十幾秒鐘)。 頻率老化率：在恒定的環(huán)境條件下測(cè)量振蕩器頻率時(shí)，振蕩器頻率和時(shí)間之間的關(guān)系。這種長(zhǎng)期頻率漂移是由晶體元件和振蕩器電路元件的緩慢變化造成的，因此，其頻率偏移的速率叫老化率，可用規(guī)定時(shí)限后的最大變化率（如10ppb/天，加電72小時(shí)后），或規(guī)定的時(shí)限內(nèi)最大的總頻率變化（如：1ppm/（第一年）和5ppm/（十年）來(lái)表示。 晶體老化是因?yàn)樵谏a(chǎn)晶體的時(shí)候存在應(yīng)力、污染物、殘留氣體、結(jié)構(gòu)工藝缺陷等問題。應(yīng)力要經(jīng)過一段時(shí)間的變化才能穩(wěn)定，一種

14、叫“應(yīng)力補(bǔ)償”的晶體切割方法（SC切割法）使晶體有較好的特性。 污染物和殘留氣體的分子會(huì)沉積在晶體片上或使晶體電極氧化，振蕩頻率越高，所用的晶體片就越薄，這種影響就越厲害。這種影響要經(jīng)過一段較長(zhǎng)的時(shí)間才能逐漸穩(wěn)定，而且這種穩(wěn)定隨著溫度或工作狀態(tài)的變化會(huì)有反復(fù)使污染物在晶體表面再度集中或分散。因此，頻率低的晶振比頻率高的晶振、工作時(shí)間長(zhǎng)的晶振比工作時(shí)間短的晶振、連續(xù)工作的晶振比斷續(xù)工作的晶振的老化率要好。 說明：TCXO的頻率老化率為：0.2ppm2ppm（第一年）和1ppm5ppm（十年）（除特殊情況，TCXO很少采用每天頻率老化率的指標(biāo)，因?yàn)榧词乖趯?shí)驗(yàn)室的條件下，溫度變化引起的頻率變化也將大

15、大超過溫度補(bǔ)償晶體振蕩器每天的頻率老化，因此這個(gè)指標(biāo)失去了實(shí)際的意義）。OCXO的頻率老化率為：0.5ppb10ppb/天（加電72小時(shí)后），30ppb2ppm（第一年），0.3ppm3ppm（十年）。 短穩(wěn)：短期穩(wěn)定度，觀察的時(shí)間為1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。 晶振的輸出頻率受到內(nèi)部電路的影響(晶體的Q值、元器件的噪音、電路的穩(wěn)定性、工作狀態(tài)等)而產(chǎn)生頻譜很寬的不穩(wěn)定。測(cè)量一連串的頻率值后，用阿倫方程計(jì)算。相位噪音也同樣可以反映短穩(wěn)的情況(要有專用儀器測(cè)量)。 重現(xiàn)性：定義：晶振經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定后關(guān)機(jī)，停機(jī)一段時(shí)間t1(如24小時(shí))，開機(jī)一段時(shí)間t2(如4小時(shí))，測(cè)得頻率f1

16、，再停機(jī)同一段時(shí)間t1，再開機(jī)同一段時(shí)間t2，測(cè)得頻率f2。重現(xiàn)性=(f2-f1)/f2。 頻率壓控范圍：將頻率控制電壓從基準(zhǔn)電壓調(diào)到規(guī)定的終點(diǎn)電壓，晶體振蕩器頻率的最小峰值改變量。 說明：基準(zhǔn)電壓為2.5V，規(guī)定終點(diǎn)電壓為0.5V和4.5V，壓控晶體振蕩器在0.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為-2ppm，在4.5V頻率控制電壓時(shí)頻率改變量為2.1ppm，則VCXO電壓控制頻率壓控范圍表示為：2ppm(2.5V2V)，斜率為正，線性為+2.4%。 壓控頻率響應(yīng)范圍：當(dāng)調(diào)制頻率變化時(shí)，峰值頻偏與調(diào)制頻率之間的關(guān)系。通常用規(guī)定的調(diào)制頻率比規(guī)定的調(diào)制基準(zhǔn)頻率低若干dB表示。 說明：VCXO頻率壓控范圍

17、頻率響應(yīng)為010kHz。 頻率壓控線性：與理想（直線）函數(shù)相比的輸出頻率-輸入控制電壓傳輸特性的一種量度，它以百分?jǐn)?shù)表示整個(gè)范圍頻偏的可容許非線性度。 說明：典型的VCXO頻率壓控線性為：10%，20%。簡(jiǎn)單的VCXO頻率壓控線性計(jì)算方法為(當(dāng)頻率壓控極性為正極性時(shí))： 頻率壓控線性(fmax-fmin)/ f0)100% fmax：VCXO在最大壓控電壓時(shí)的輸出頻率 fmin：VCXO在最小壓控電壓時(shí)的輸出頻率 f0：壓控中心電壓頻率 單邊帶相位噪聲(f)：偏離載波f處，一個(gè)相位調(diào)制邊帶的功率密度與載波功率之比。 輸出波形：從大類來(lái)說，輸出波形可以分為方波和正弦波兩類。 方波主要用于數(shù)字通信

18、系統(tǒng)時(shí)鐘上，對(duì)方波主要有輸出電平、占空比、上升/下降時(shí)間、驅(qū)動(dòng)能力等幾個(gè)指標(biāo)要求。 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信、雷達(dá)和高速數(shù)傳等類似系統(tǒng)中，需要高質(zhì)量的信號(hào)源作為日趨復(fù)雜的基帶信息的載波。因?yàn)橐粋€(gè)帶有寄生調(diào)幅及調(diào)相的載波信號(hào)（不干凈的信號(hào)）被載有信息的基帶信號(hào)調(diào)制后，這些理想狀態(tài)下不應(yīng)存在的頻譜成份（載波中的寄生調(diào)制）會(huì)導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量及數(shù)傳誤碼率明顯變壞。所以作為所傳輸信號(hào)的載體，載波信號(hào)的干凈程度（頻譜純度）對(duì)通信質(zhì)量有著直接的影響。對(duì)于正弦波，通常需要提供例如諧波、噪聲和輸出功率等指標(biāo)。廣告 jingjing1489 普通職員UID 98053精華 0經(jīng)驗(yàn)值 45帖子 25閱讀權(quán)限

19、 255注冊(cè) 2007-4-22狀態(tài) 離線 #3發(fā)表于 2007-8-11 10:16 資料 短消息 晶振的分類 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： 1) 恒溫晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱OCXO) 這類型晶振對(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。這類晶振主要用于各種類型的通信設(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)用戶需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。OCXO的工作原理如下圖3所示： 圖3恒溫晶體振蕩器原理

20、框圖OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類型晶振中是最好的，由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。我公司生產(chǎn)的此類晶振的典型指標(biāo)如下： 2) 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱TCXO)。 其對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱之為MCXO，由于采用

21、了數(shù)字化技術(shù)，這一類型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。在廣大研發(fā)人員的共同努力下，我公司自主開發(fā)出了高精度的MCXO，其設(shè)計(jì)原理和在世界范圍都是領(lǐng)先的，配以高度自動(dòng)化的生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)，其月產(chǎn)可以達(dá)到5000只，其設(shè)計(jì)原理如圖4。 圖4 MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖這類型晶振的典型的應(yīng)用指標(biāo)如下： 3) 普通晶體振蕩器(SPXO)。這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。 4) 壓控晶體振蕩器(

22、VCXO)。這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來(lái)分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO，以上三種類型的晶振都可以帶壓控端口。圖片附件: 圖3恒溫晶體振蕩器原理框圖.jpg (2007-8-11 10:16, 8.95 K)圖片附件: 4.jpg (2007-8-11 10:16, 15.74 K)圖片附件: 圖4 MCXO數(shù)字溫補(bǔ)晶振原理框圖.jpg (2007-8-11 10:16, 14.65 K)圖片附件: 5.jpg (2007-8-11 10:16, 9.69 K)廣告 jingjing1489 普通職員UID 98053精華 0經(jīng)驗(yàn)值 45帖子 25閱讀權(quán)限 255注冊(cè) 2007-4-2

23、2狀態(tài) 離線 #4發(fā)表于 2007-8-11 10:22 資料 短消息 石英晶體振蕩器的特點(diǎn) 石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。 一、石英晶體振蕩器的基本原理 1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu) 石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(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

24、石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。 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

25、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2所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)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(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100。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

26、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)定度。 4、諧振頻率 從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）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，可定性畫出它的電抗頻率特性曲線如圖2e所示。可見當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fsffd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。 二、石英晶體振蕩器類型特點(diǎn) 石英晶體振蕩器是由品

27、質(zhì)因素極高的石英晶體振子（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，共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（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。 普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10(-5)10(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1100MHZ，頻率穩(wěn)定度是100ppm。SPXO沒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21146mm及53.21.5mm。

28、電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10(-6)10(-5)量級(jí)，頻率范圍130MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14103mm。 溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（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(-7)10(-6)量級(jí)，頻率范圍160MHz，頻率穩(wěn)定度為12.5ppm，封裝尺寸從303015mm至11.49.63.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。 恒溫控制式晶體振蕩器（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(-10)至10(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至

29、達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。 三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù) 晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000MHz以上，也有的沒有標(biāo)稱頻率，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)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一

30、個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，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)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(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)定度。頻率精度從10(-4)量級(jí)到10(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從1到100ppm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)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。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)?shù)木д?，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。 四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì) 1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動(dòng)電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前53mm尺寸的器件已經(jīng)上市。 2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無(wú)補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在107范圍內(nèi)一般可達(dá)20100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為0.00015ppm，VCXO控制在25ppm以下。 3