石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路

石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。 对于振荡频率的稳定性要求高的电路, 应选用石英晶体作选频网络。 一、石英晶体的特点

将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。其结构示意图和符号如右图所示。

1.压电效应和压电振荡

在石英晶体两个管脚加交变电场时, 它将会产有利于一定频率的机械变形, 而这种机械振动又会产生交变电场, 上述物理现象称为压电效应。 一般情况下, 无论是机械振动的振幅, 还是交变电场的振幅都非常小。 但是, 当交变电场的频率为某一特定值时, 振幅骤然增大, 产生共振, 称之为压电振荡。 这一特定频率就是石英晶体的固有频率, 也称谐振频率。 2.石英晶体的等效电路和振荡频率

石英晶体的等效电路如下图（a）所示。 当石英晶体不振动时, 可等效为一个平板电容C0, 称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积, 一般约为几到几十皮法。 当晶片产生振动时, 机械振动的惯性等效为电感L, 其值为几毫亨。 晶片的弹性等效为电容C, 其值仅为0.01到0.1pF, 因此, C<fs时, L、C、R支路呈感性, 将与C0产生并联谐振, 石英晶体又呈纯阻性, 谐振频率由于C<fP时, 电抗主要决定于C0, 石英晶体又呈容性。 因此, 石英晶体电抗的频率特性如上图所示, 只有在fs

L数值很大, 所以Q值高达104~106。 频率稳定度Δf/f0可达10-6~10-8, 采用稳频措施后可达10-10~10-11。而LC振荡器的Q值只能达到几百, 频率稳定度只能达到10-5。

二、石英晶体正弦波振荡电路 1.并联型石英晶体正弦波振荡电路

如果用石英晶体取代LC振荡电路中的电感, 就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路, 如左下图所示, 电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。 2.串联型石英晶体振荡电路

如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。电容Cb为旁路电容, 对交流信号可视为短路。电路的第一级为共基放大电路, 第二级为共集放大电路。 若断开反馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”, T2管的发射极动态电位也为“+”。 只有在石英晶体呈纯阻性, 即产生串联谐振时, 反馈电压才与输入电压同相, 电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件。 所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。调整Rf的阻值, 可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件。

石英晶体基础知识

1、石英晶体的应用：a、石英钟 b、温度计 c、压力指示器（频率与应力）d、加速度计

2、晶体的自然面及解理面平行于原子面

3、石英的机械、电气、化学和温度等综合性能，都满足需要电气通讯领域。 4、石英生长愈慢、质量愈佳。 5、大部分高质量石英晶体产自巴西。

6、结晶缺陷：a、晶格空位 b、填隙原子 c、夹杂原子 d、生长位错 7、BT切比AT切片厚50%

8、现在通讯系统需要较宽温度范围，频率偏移要小。 9、典型晶体元件指标： a、工作频率：50MHz b、温度范围：-55～+105℃ c、频率漂移：±50ppm

10、天然石英与培育石英之间差别：a、杂质原子 b、填隙原子 c、晶格空位 11、石英晶体的培育：居里温度点：>573℃ 贝他石英 结构：六角形 <573℃ a石英 结构：三角形 12、高压釜典型尺寸

长为3～5米；直径：半米或半米以上；壁厚：10～15cm；温度：约350℃；压力：约1400大气压

13、石英压电晶体作用：对电气通讯中的载波记号频率进行控制和管理。 14、石英元件实现了压电振子的机械谐振频率同电路之间的耦合。（机电换能器） 15、压电理论：

石英的机械特性与电路是通过压效应来实现耦合的。

石英晶体元件在振荡器电路中的功能是划分出等时间间隔，（稳定振荡频率）。 一维振动：只要起控制作用的那一维尺寸比其他维尺寸大得多或小得多，那么振动就能够被看成是近似一维的。

活动性下降：在压电振子的温度改变时，偶尔会有一种模的频率与振荡器频率重合，所产生的额外能耗减少了振荡（活动性）的幅度。这种现象称为活动性下降。 当频率远离谐振频率时，石英片等效于简单的平行板电容器。

16、为了得到最大的稳定性，晶体元件应工作于最低振幅，即最低的激励电平。 17、AT和BT切石英晶体元件的主模频率取决于片子厚度，而大部分寄生模的频率则取决于侧面尺寸。

18、如果非活动带的宽度大于片子厚度20倍或20倍以上，它也可以成为支撑片的非活动区。

19、减小石英片表面的曲率半径，非谐波泛音模的频率就会向高处移动，而且泛音频谱也会变得更为疏散。 20、修外形对参数的影响：

修整的不多：由于支架引起的阻尼损耗就会有所减少，而且由于寄生模与主模分开了，等效电阻值就会下降。继续修下去：R值又会升高，因为振动面积缩小了。L升高而C下降 r=c0/c，也会受影响。大而薄的AF片子：r理论值为154，测量值总是大于154，通过仔细调整与外形有关的电极区尺寸可以获得r值低达190。

21、影响谐振器频率稳定性因素：a、使用的原材料不当 b、石英晶片表面层加工不良

c、表层污染 d、蒸发的银膜层附着性差 22、石英谐振器的失效模式：

a、开路（支架脱落、脱锡） b、短路（外壳封装系统机械损伤） c、频率稳定性差（石英晶片表面清洁处理不良，银膜层附着不牢以及晶片表面加工不佳） 23、石英谐振器可等效成一个R、L、C组成的等效电路（在谐振频率附近），这些等效参数与很多因素有关，其中电极面积大小即为因素之一。不连续银膜层使石英晶片电极的有效面积减小，从而影响频率稳定性。 24、石英晶片表面的缺陷：

腐蚀时间、温度以及腐蚀液的浓度控制不严，将使石英晶片腐蚀强度过大，造成石英晶片表面粗糙度大，裂纹多等缺陷。

25、银膜表面斑痕是制造工艺中使用的水纯度低所致，通过提高水的纯度，提高了石英晶片的合格率。

26、石英晶片表面的粗糙度对银膜有很大影响，为了保证银膜层的连续性，一定要严格控制腐蚀工艺。

石英晶体是由水热法生长的一种功能材料，有优良的压电性能和光学性能，物理、化学性能稳定，具有左右旋结构特征，在0.15～4μm的范围内，有较好的透过率。 性能指标：

品质因素：> 2.4×106 包裹体 ：I 级, Ia级 腐蚀隧道密度：< 200/cm2 密度：2.65g/cm3 熔点：1713℃ 莫氏硬度: 7

杨氏模量: 97.2GPa(//Z), 76.5Gpa(⊥Z) 应用范围：

可用作棱镜、滤光片、偏振片、波片、旋光片等，可制成各种体波和声表面波振荡器、谐振器和滤波器

石英晶体谐振器基础知识

石英晶体谐振器基础知识

(1)石英晶体谐振器（简称晶振）的结构

石英晶体谐振器是利用石英晶体（二氧化矽的结晶体）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、陶瓷或塑胶封装的。 (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來等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C來等效，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來等效，它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因數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性。 (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

a、当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联谐振频率用

fs表示，石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯阻性。

b、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，可定性画出它的频率特性曲线图所示。可见当频率低于串联

谐振频率fs或者频率高于并联谐振频率fd时，石英晶体呈电容性。仅在fs＜f＜

fd极窄的范围内，石英晶体呈电感性。

晶体符号 等效电路 频率特性曲线图

石英晶体谐振器外形图片 石英晶体谐振器的分类及特点

石英晶体谐振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，共同决定谐振器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体谐振器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体谐振器（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损振荡（DCXO）等。 (1)普通晶体谐振器（SPXO）可产生10-5～10-4量级的频率精度，标准频率—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。

(2)电压控制式晶体谐振器（VCXO）的精度是10?6～10-5量级，频率范围1~30MHz。低容差谐振器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。

(3)温度补偿式晶体谐振器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10?～10量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，

7

-6

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。

(4)恒温控制式晶体谐振器（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?7～10-8量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定性在四种类型谐振器中最高。 石英晶体谐振器的主要参数

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、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有不具标称频率的，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。负载频率不同决定谐振器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体谐振器有两个谐振频率，一个是串联谐振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联谐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：由于普通晶振的性能基本性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性。频率精度从量级到量级不等。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，无线资料传输等系统就需要更高要求的石英晶体谐振器。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。压电石英晶体

压电石英晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料，用于制造选择和控制频率

的电子元器件，广泛应用于电子信息产业各领域，如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等，尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大。

工厂所属水晶分厂在压电晶体生产技术和管理上均具国内领先水平。是国内唯一能批量生产腐蚀隧道密度在100条/cm2以下压电晶体的生产厂家。低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料。

压电晶体产品品种主要有： Z棒、Y棒、厚度片、频率片 石英晶体的压电效应 (1)石英晶体的坐标轴选取

石英晶体的坐标轴选取

某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。 (2)石英晶体的压电特性

离子位置图

压电晶体分类

根据晶振的功能和实现技术的不同，可以将晶振分为以下四类： 1) 恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)

这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO的工作原理如下图3所示：

图3恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。 2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。 其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。在广大研发人员的共同努力下，我公司自主开发出了高精度的MCXO，其设计原理和在世界范围都是领先的，配以高度自动化的生产测试系统，其月产可以达到5000只，其设计原理如图4。 图4 MCXO数字温补晶振原理框图

3) 普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。 4) 压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

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