石英晶体振荡电路.doc

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, CC0。晶片的磨擦损耗等效为电阻R, 其值约为100, 理想情况下R=0。当等效电路中的L、C、R支路产生串联谐振时, 该支路呈纯阻性, 等效电阻为R, 谐振频率谐振频率下整个网络的电抗等于R并联C0的容抗, 因R0C0, 故可近似认为石英晶体也呈纯阻性, 等效电阻为R。当ffs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CfP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fsf573 贝他石英 结构：六角形 2.4106 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等效，C的值很小，一般只有0.00020.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R等效，它的值约为100。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Q很大，可达100010000。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fsffd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10-510-4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21146mm及53.21.5mm。(2)电压控制式晶体谐振器（VCXO）的精度是10610-5量级，频率范围130MHz。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14103mm。(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10710-6量级，频率范围160MHz，频率稳定度为12.5ppm，封装尺寸从303015mm至11.49.63.9mm。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10710-8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、1MHz40.50 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。频率精度从级到级不等。稳定度从1到100ppm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