晶体应用培训材料

1、晶体应用基础知识 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器， 被广泛应用于彩电、 计算机、 遥 控器等各类振荡电路中， 以及通信系统中用于频率发生器、 为数据处理设备产生 时钟信号和为特定系统提供基准信号。一、石英晶体振荡器的基本原理1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体 （二氧化硅的结晶体） 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。

2、其产品一般用金属外壳封装，也 有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。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

3、等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图 2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来等效。 一般L的值为几十mH至肌百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很 小，一般只有0.0002O.lpF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用 R来等效，它 的数值约为100Q。由于晶片的等效电感很大，而 C很小，R也小，因此回路的 品质因数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

4、英谐振器组 成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。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（1）当 L、 C、 R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）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，可定性画出它的电抗一频率特性曲线如图2e所示。 可见当频率低于串联谐振频率 fs 或者频率高于并联揩振频率 fd 时，石英晶体呈 容性。仅在fsvfvfd极窄的范围内，石英晶体呈感性。二、石英晶体振荡器类型特点 石英晶体振荡器是由品质因

5、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，共同决定振荡器的 性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（SPXO）， 电压控制式晶体振荡器（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振荡器（DCXO ）等。普通晶体振荡器(SPXO)可产生10(5)10(4)量级的频率精度，标准频率 1 100MHZ，频率稳定度是±00ppm。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21x140mm及5X

6、3.2 X.5mm。电压控制式晶体振荡器(VCXO )的精度是10(6)10(5)量级，频率范围 130MHz。低容差振荡器的频率稳定度是 ±j0ppm。通常用于锁相环路。封装尺 寸 14X10X3mm。温度补偿式晶体振荡器(TCXO)采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率 精度达到10(7)10A(-6)量级，频率范围1 60MHz，频率稳定度为 ±±.5ppm，圭寸装尺寸从30>30>15mm至11.4 9.6 X3.9mm。通常用于手持电话、蜂 窝电话、双向无线通信设备等。恒温控制式晶体振荡器(OCXO)将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环 境

7、温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10A(-10)至10A(-8)量级，对某些特 殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。三、石英晶体振荡器的主要参数 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，也有的没有标称频率，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。

8、 负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。 标称频率相同 的晶振， 负载电容不一定相同。 因为石英晶体振荡器有两个谐振频率， 一个是串 联揩振晶振的低负载电容晶振： 另一个为并联揩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度： 由于普通晶振的性能基本都能达到 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度。 频率精 度从10A(-4)量级到10A(-10)量级不等。稳定度从 ±到±00ppm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，

9、无线数据传输等系统就需要更 高要求的石英晶体振荡器。 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。四、石英晶体振荡器的发展趋势1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、 短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装 转变。例如 TCXO 这类器件的体积缩小了 30100倍。采用 SMD 封装的 TCXO 厚度不足2mm，目前5X3mm尺寸的器件已经上市。2、 高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到

10、7;25ppm， VCXO的频率稳定度在1070C范围内一般可达 吃0100ppm,而OCXO在同 一温度范围内频率稳定度一般为 ±).00015ppm，VCXO控制在 吃5ppm以下。3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。目前 OCXO 主流产品的相位噪声性能有很 大改善。除 VCXO 外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为6501700 MHz， 电源电压2.23.3V，工作电流810mA。4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流

11、消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。 石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG2320SC型VCXO ,在±）.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。 日本东京陶瓷公司生产的 SMD TCXO,在振荡启动4ms后则可达到额定值的 90%。OAK公司的1025 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±）.01 ppm 的稳定度。五、石英晶体振荡器的应用1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是 新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路

12、， 其频率精度决定了电子钟 表的走时精度。石英晶体振荡器原理的示意如图 3 所示，其中 V1 和 V2 构成 CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石 英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。 一般Q、C1及C2均为 外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。 故无法通过改变 C1 或 C2 的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只 电容 C 有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的 快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图 4 所示。此时系统总电容加大，振荡频

13、率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可 在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高， 走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于 时钟信号发生器。2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503 kHz的晶体振荡器作为 行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性 大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也 得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、 无线数据传输、 高速数字数据传输等。晶体谐振器简介一、 石英晶体原理介绍

14、：（一） 石英晶体的工作原理：1 压电效应：沿某些晶体的特定方向施加压应力作用时， 晶体产生形变， 同时产生电极化， 其极化强度与压力成正比，称之为正压电效应；反之，在电场作用下，晶体 产生应变，应变大小与场强成正比，称之为负压电效应。压电效应的原理是： 外力作用下晶格变形引起正负电荷中心分离而产生的。施加应力时，在一个 方向上产生脉冲电流，取消时，在相反方向产生。2稳频原理： 石英晶片是弹性体，有其固有频率，同时又由于其为压电体，当外加电场的 交变频率与石英晶片的固有频率相接近时， 由于负压电效应， 石英晶片产生机械 谐振，此时振幅最大，阻抗最小 ,电流最大。若外加交变电场的频率偏离石英晶

15、片的固有频率时， 阻抗迅速增大 ,电流也随之迅速减小 ,故其有很好的稳频 （对频率 的选择）作用。5 谐振等效工作电路：石英晶片经过被电极，上架、封装即成为压电谐振器。当外加电场的交变频 率与石英晶片的固有频率相接近，且外加电压的角频率3等于石英机械振动的固 有谐振角频率3时（取决于石英晶体的几何尺寸和切型），晶片产生机械谐振，弹性 振动通过压电效应与路相耦合，其效果等于由L1 , C1, R1的串联臂和CO并联组 成的谐振回路。此时机械振动的幅度最大，相应地晶体表面所产生的电荷量最大， 外电路中电流最大。（二）石英晶体的使用：1. 石英晶体谐振器的使用回路：在振荡电路中，石英晶体谐振器作为电

16、感使用，与负载电容构成实质上的LC 振荡电路，这一电路称为哈特莱电路。振荡电路的起振条件电路相应构成1正反馈条件：相位角为360°，产 生正反馈回路振荡电路为哈特莱电路2起振时，放大器的放大倍数1反馈回路，谐振器作为电感， 与负载电容构成LC路3有选频网络选频元件为谐振器4有由非线性元器件组成的限幅电 路负阻抗-R在第一个起振条件中，由于谐振回路不是理想矩形，故存在不均匀性，具有 定频带的信号作用于回路时，回路的电流或回路端电压频率失真（在通频带范围 内产生的频率失真被认为是允许的 ).同样 ,由于回路的电流或端电压对各个频率 分量产生的相位移不成线性关系 ,故不可避免地产生相位失真

17、 ,这是谐振回路的相 频特性 ,此特性不仅仅与谐振器条件有关，还与振荡电路本身有关。2 负载电容特性：(1) 谐振器工作频率范围：串联时丄1和C1的电抗值相等且符号相反。Fs=(1/2n )*(L1*C1) 1/2.只有在Fs 和Fp之间的阴影区，谐振器方表现为感性，可组成振荡回路。振荡电路是等效电路是由负阻抗-R和电容CL构成的，CL是由石英晶体谐振 器两端向振荡器看的有效电容量，通常称为负载电容。(4)Fs 和 Fp 之间的间隔代表石英谐振器的可调带宽 ,通过 CL 可使晶体工作在 Fs 和Fp之间的某一 点 ,谐振 器 在 这一 区 域 呈现感 性 ， 谐 振器 与 负 载 串 联 后,

18、FL=FS1+C1/(C0+C1).3. 激励功率依赖性激励功率偏小时， 信噪比下降， 谐振器不易起振， 其短期稳定性和可靠性下降； 激励功率偏大时谐振器中晶片温度上升， 频率稳定度下降， 且由于激励功率偏大， 可能引起机械形变超过弹性限度使晶格产生永久位移， 甚至产生不振， 同时阻抗 上升，温度频差和温度阻抗不稳定。 半导体回路需要的正常工作激励功率日益减 小，一般而言，谐振器的激励功率以 0.1mw为佳。随着激励功率的上升，谐振器的频率也不断上升。4. 寄生响应所有的石英谐振器都有寄生响应 (主振频率之外的非需要频率) ，寄生响应的 频率值高于主振频 率 ，但其 振 幅比主 振 频率小。

19、寄生响 应的大小用 公式 Anw=Ig(RNW/Rr) 表示。对于谐振器而言，通常寄生响应的大小要求在 3-6DB， 而滤波器则要求大于40DB，这要求一些特殊的技术参数包括具有很小的C1值。随着频率的上升和泛音次数的增加，寄生响应减小。因此在应用晶体谐振器时应对其匹配的电容进行确认， 一般IC厂家都会在 给出典型电路的同时也给出晶体的规格及负载要求， 只不过杂散电容的影响会造 成频率的漂移和相位的不稳定， 所以晶体也要做出相应的更改， 因此在使用前要 进行匹配测试，主要有几个注意要点：1、激励功率的确定， 在电路中 IC 提供给晶体的激励大小直接影响到晶体工作的 稳定性，激励过大会导致晶体共

20、振的破坏或蒸镀电极的蒸发，频率漂移或晶 体损坏；2、最佳电容值的确定，保证精确的频率输出；3、负性阻抗的测试，如果负阻过小，而晶体谐振阻抗偏大，则会造成晶体难起 振或工作不稳定，负阻至少要在晶体谐振阻抗的 5-10 倍以上。注：在应用晶体谐振器时应由生产厂家对其规格进行确认， 一般 IC 厂家都 会在给出典型电路的同时也给出晶体的规格及负载要求， 只不过杂散电容的影响 会造成频率的漂移和相位的不稳定， 所以晶体也要做出相应的更改， 因此在使用 前要进行匹配测试，主要有几个注意要点：4、激励功率的确定，在电路中 IC 提供给晶体的激励大小直接影响到晶体工作的 稳定性，激励过大会导致晶体共振的破坏

21、或蒸镀电极的蒸发，频率漂移或晶 体损坏，对高频激励大晶体应考虑泛音晶体；5、最佳电容值的确定，保证精确的频率输出；6、负性阻抗的测试，如果负阻过小，而晶体谐振阻抗偏大，则会造成晶体难起 振或工作不稳定，负阻至少要在晶体谐振阻抗的 5-10 倍以上。了解今天的可编程振荡器内容 知道它们的功能和应用将令您更迅捷地评估及选用合适的可编程振荡器在加速产品开发周期和追求准时生产的时代， 定时就是一切。 对一个设计工程师 或项目开发工程师来说， 几乎没有什么事情比花六个星期等待一个样机部件更令 人恼怒的了，或许更糟的是， 在紧张的生产过程中缺少一个关键部件， 而这个部 件恰好是晶体振荡器。说到可编程振荡器，它的最大特点是几分钟内就能定置它的频率。这种 “一种型 号全部搞定 ”器件的诱惑力是可想而知的。以单个多用途部件代