1、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。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

2、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

3、的彈性可用電容C來(lái)等效，C的 值很小，一般只有0.0002O.lpF。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)，它的等效阻抗最小（等 于R）。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

4、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。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fs v f vfd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(SPXO,電壓控制式晶體振 蕩器(VCXO,溫度補(bǔ)償式晶體振蕩(TCXO

5、,恒溫控制式晶體振蕩 (OCX)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10八(-5)10八(-4)量 級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率 1100MH，Z 頻率穩(wěn)定度是 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 21 x 14X 6mm及 5X 3.2 x 1.5mm電壓控制式晶體振蕩器(VCXO的精度是10八(-6)10八(-5)量級(jí)，頻率范圍130MHz低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是士 50ppm通常用于鎖相環(huán)路。圭寸裝尺寸 14x 10x 3mm溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(TCXO采用溫度敏感器

6、件進(jìn)行 溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10八(-7)10八(-6)量級(jí)，頻率范圍1 60MHz頻率穩(wěn)定度為士 1士 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10八(-10)至10八(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(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

7、振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有： 48kHz、500 kHz 、503.5 kHz 、1MH曠40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到 1000 MHz以 上，也有的沒(méi)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

8、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10八(-4)量級(jí)到10八(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)定度從1到士 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瘢虿煌阅艿木д衿鋬r(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

9、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SML封裝的TCXC厚度不足2mrp目前5X 3mm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)到士 25ppm VCXO勺頻率穩(wěn)定度在107C范圍內(nèi)一般可達(dá) 士 20100ppm,而 OCXC在同一溫度 范圍內(nèi)頻 率穩(wěn)定 度一般為 士 0.0001 5ppm VCXC控制在士 25ppm以下。3、低噪聲，高頻化，在 GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率 顫抖勺，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖勺一個(gè)重要參數(shù)。 目前 CCX

10、C 主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除 VCXC外，其它類型的晶體 振蕩器最高輸出頻率不超過(guò)200MHz例如用于GSM等移動(dòng)電話的UCV4 系列壓控振蕩器，其頻率為 6501700 MHz電源電壓2.23.3V, 工作電流 810mA。4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為 3.3V。目前許多TCXC和 VCXC產(chǎn)品，電流損耗不超過(guò)2 mA石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù) 也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG-2320SC型VCXC在士0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時(shí)間小于4ms日本東京陶瓷 公司生產(chǎn)的SMDTCXQ在振蕩啟動(dòng)4ms后則

11、可達(dá)到額定值的90% OAK 公司的1025 MHz的OCXC產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到士 0.01 ppm的穩(wěn)定度。五、石英晶體振蕩器的應(yīng)用1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路， 其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。 從石英晶體振蕩 器原理的示意圖中，其中 V1和V2構(gòu)成CMO反相器石英晶體Q與振 蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。 振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。 一般Q C1及C2均為外接元件。 另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。 故無(wú)法通過(guò)改變C1

12、或C2的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎?加接一只電容C有方法，來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根 據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在 石英晶體兩端并接電容C,如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩 頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖 5 所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只 要經(jīng)過(guò)耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí) 鐘信號(hào)發(fā)生器。2、 隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)彩電多采用500kHz 或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源，經(jīng) 1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性

13、大為提咼。面且晶振價(jià)格便宜， 更換容易。3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了 更廣泛的體現(xiàn)， 同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。 許多咼性能的石英晶振主 要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、咼速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取ne, the basic principle of quartz crystal oscillator1, the structure of quartz crystal oscillatorQuartz crystal oscillator is using quartz crystal (silica crystals) of the piezoelectric effect a

14、resonant components made, it is the basic constitute roughly from a quartz crystal, by certain azimuth cut chips (referredto as the chips, it canbe a square and rectangular or circular etc), in its two corresponding surface coated with silver layer in each electrode as electrode, the welding a root

15、fuses received tube feet, plus encapsulation enclosure they form a quartz crystal resonator, known as quartz crystals or crystals, crystal vibration. Its products are with metal shell packaging, useful also glass shell, ceramic or plastic packaging.2, piezoelectric effectIf the two electrodes in qua

16、rtz crystal add an electric field, chip can produce mechanical deformation. Conversely, if the chip on both sides of the mechanical pressure, is the direction of the chip will produce corresponding electric field, and the physical phenomenon known as piezoelectric effect. If the extremes of the chip

17、 add alternating voltage, chip can produce mechanical vibration, meanwhile the chips mechanical vibration and produces alternating electric fields. Normally, wafer mechanical vibration amplitude and the amplitude of alternating electric field is very small, but when the frequency of alternating volt

18、age plus for a particular value, amplitude obviously increase, the amplitude frequency than other much, this phenomenon is called piezoelectric resonant with LC circuit, it is very similar to the resonance phenomenon. Its resonance frequency and the chips way to cut, geometric shapes, sizes and so o

19、n.Three, symbols and equivalent circuitWhenthe crystals can not vibration view it as a plate capacitor called electrostatic capacitive C, its size and the chips dimensions, electrode area, usually around several PF related to dozens of the ruling zanu-pf. When crystal oscillates, mechanical vibratio

20、n inertial usable inductance L to equivalent. General L value for decades mH to hundreds of mH.The chips elastic usable capacitance C, C is equivalent to the value of the small, usually only 0.0002 0.1 pF. Chip vibration caused by friction with the loss of its equivalent, R valueof roughly 100 Q . B

21、ecause the chips equivale nt in ducta nee is very big, and C is small, R also small, so the quality factor Qloop is very big, can reach 1,000 to 10,000. Plus the resonance frequency of the chip itself only to basically chip cutting way, shape and dimension are concerned, and can do it accurate, so u

22、sing quartz resonator can obtain the oscillating circuit of high frequency stability.4, resonant frequencyFrom quartz crystal resonator equivalent circuit of knowable, it has two resonant frequency, namely (1) when L, C, R branch, it happened when the network (minimum equivalent impedance (equal to

23、R). Series wipe frequency use fs says, quartz crystal for frequencies fs is wiped series of pure resistance sex, (2) when frequency than when the fs, R L, C with a sensuous, branch capacitance C. Happen, the parallel resonant frequency with fd said. ParallelBased on the equivalent circuit quartz cry

24、stals, qualitative plot its frequency characteristic curve circuit reactance. Visible when frequency below series resonance frequency fs or frequency vibration frequencies than parallel wipe, quartz crystal fd a capacitive. Only in the fs f fd is extremely narrow range, quartz crystal is sensible.Se

25、cond, quartz crystal oscillator typesQuartz crystal oscillator is high quality factors by quartz crystal oscillator are (namely resonators and oscillating circuit component. Crystal quality, cutting orientation, crystal structure of the vibrator and circuit form etc, jointly determine oscillator per

26、formance. The international electrotechnical commission (IEC) will be a quartz crystal oscillator is divided into four categories: ordinary crystal oscillation (cspxo), voltage control type crystal oscillators (VCXO), temperature compensation type crystal oscillation (TCXO), temperature control type

27、 crystal oscillation (OCXO). Currently developing and digital compensation type crystal loss oscillation (DCXO), etc.Ordi nary crystal oscillators (cspxo) can produce 10 八(-5)10 八(-4) middleweight frequency accuracy, standardfrequency1-100MHZ, frequency stability is + 100ppm. Cspxo no use any temper

28、ature frequency compensation measures, the price is cheap, normally as a microprocessor clock device. Encapsulation size ranges from 21 x 14 x 6mm and 5 x 320 x 1.5 mm.Voltage control type crystal oscillators (VCXO) precision is10 八(6)10 八(-5) mag nitude 1 30MHz freque ncy ran ge. Low tolerance osci

29、llator frequency stability is + 50ppm. Normally used for phase lock loop. Encapsulation size 14 x 10 x 3mm. Temperature compensating crystal oscillator TCXO) using temperature (temperature sensing device, frequency compensate precisi on of 10 八(freque ncy 7) 10 八(6) middleweight and frequency range 1-60MHz, frequency stability for + 1 + 250 PPM, package sizes from 30 x 30 x 15mm to 11.4 x 960 x 0.39 mm. Normally used for holding the phone, cellular telephones, two-way wireless communication equipment, etc.Temperature control type crystal oscillators (OCXO) will crystals a