石英晶体振荡器与外围电路关系

1、石英晶体振荡器与外围电路关系一、三端式 LC 振荡器三端式 LC 振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几 MHz 到几百 MHz 的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为 103104 量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。三端式LC振荡电路以分为 电感三端式 和电容三端式电容三端式 又分为串联型电容三端式 和并联型电容三端式（也有叫三点式）。并联型电容三端式： 电容反馈式振荡电路 , 如图 1a。11(公式 1)振荡频率f 0C1C22 LC2)L(C1 C2反馈系数 FUfC1(公式2)C 2U 0集电极等效负载：RLRC / Ri2( 公式 3)Fab图 1在这个电路

2、中若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，势必要减小C1 和 C2的电容量和 L 的电感量。实际上不 C1 和 C2的电容量减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入 C1和 C2 中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容 Ci 和输出电容 C。，如图 1b 中所标注。电路的优点 :1. 电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2. 电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3. 电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz, 采用共基放大电路可做到几百 MH

3、z 的甚高频波段范围。电路的缺点： 调 C1 或 C2 来改变振荡频率时， 反馈系数也将改变。 改进型电容反馈式振荡电路 ，如图 2：图 2在电感支路串联一个小容量电容C，而且 C C1， C C2，这样1111C 1C 2CC总电容约为 C，因面电路的振荡频率为：f 01(公式 4)2LC二、石英晶体振荡器1 、石英晶体的压电特性石英晶体所以能成为电谐振器，是利用了它所特有的正、反两种压电效应。所谓正压电效应，就 是当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电 荷，呈现出电压。负压电效应是指当在垂直于电轴的两面上加以交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形

4、（伸张或压缩），称为机械振动。2 、石英晶体的谐振特性：因为石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。3、石英晶体的阻抗频率特性并联型石英晶体振荡电路：石英晶振可以等效为 一个串联谐振回路 或一个并联谐振回路石英晶体的等效电路如下虚线部份：其频率特性如下：1串联谐振频率 : f s2L q C q并联谐振频率1fsCq: f pC0fs 1C0CqC02 Lq C0 CqC0Cqfs111cq2 LCqCo2 LCqcoCq Co由于 Cq<<Co所以 f

5、pfs , fs 越接近 fp 石英晶体呈感性的频带愈狭窄。4、其它特性：Q1LRC由于晶振的 Q 值和特性阻抗 R 都很高，所以晶振的谐振电阻也很高，一般可达 1010以上。这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。5、反馈系数 反馈系数 FUfC1, 若增大 C1/C2, 则一方面反馈系数数值随之U 0C 2增大， , 环路增益大 , 有利于电路起振；但是其值过大时，它又使RL 减小，从而造成电压放大倍数数值减小，振荡稳定性会变差，不利于电路起振。因此，C1/C2 既不能太大，又不能太小，具体数值应通过实验来确定。所以

6、各个厂家在卖石英晶体时会给出一个匹配值。比值通常取 1.2 2.4。标频 f 越高 ,比值趋近 2.4; 标频率 f 越低 , 比值趋近 1.2A178 谐振器测试记录次序晶振（ M）C1 （C36 in A178 ） (pF)Rext（ R22） (K)C2(C37)(pF)起振效果1668空没接（空）稍好266810空较好36681010较好46681033较好56681047较好66681068较好76331047(5:5) 失败86471047(5:5) 失败964710空较好106331047(5:5) 失败116331068较好126331033(10:10) 失败13633102

7、2(10:10) 失败1463310空(10:10) 失败1564710空较好1664710100较好16610010100较好18610010空较好196100空空较好206空1033(5:5) 失败216空1068(10:10) 失败22668空68不稳定23668空10(5:5) 失败注：稍好：指在10 次测试中，超过5 次能正常振荡；较好：测试中，每次都能正常振荡，试验次数不等（3 10 次），包括冷启动和热启动。不稳定：失败次多次数多，且要较长时间等待。三、补充资料1、 晶振： 即所谓 石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。 不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的

8、概念中把晶振就等同于谐振器 理解了。后者就是通常所指时钟振荡器 (振荡器 )。2、 分类。首先说一下谐振器。谐振器一般分为插件（Dip ）和贴片（ SMD ）。插件中又分为1) HC-49U2) HC-49U/S3) 音叉型（圆柱）HC-49U 一般称 49U，有些采购俗称“高型” ，而 HC-49U/S 一般称 49S，俗称“矮型” 。音叉型按照体积分可分为3*8， 2*6 ， 1*5 ， 1*4 等等。贴片型是按大小和脚位来分类。例如7*5 （ 0705）、6*3.5（ 0603）， 5*3.2 （ 5032）等等。脚位有4pin 和 2pin 之分。振荡器： 它需要外接电源才能正常工作。

9、可以分为插件和贴片。插件的可以按大小和脚位来分。例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin 。不过要注意的是，这里的 14pin 和 8pin 都是指振荡器内部核心 IC 的脚位数，振荡器本身是 4pin 。而从不同的应用层面来分，又可分为 SPXO （或 OSC，普通钟振）， TCXO （温度补偿） ，VCXO （压控）， OCXO （恒温）等等。1) 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

10、高的场合。2) 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

11、大、体积大，需要 5 分钟左右的加热时间才能正常工作等。3) 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。其设计原理如图4 。图 4MCXO 数字

12、温补晶振原理框图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。四、基本术语。一些常用的谐振器术语：Frequency Tolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（ 25± 2）与标称频率允许的偏差。一般用 PPm（百万分之）表示。Frequency Stability(温度频差 )：指在规定的工作温度范围内， 与标称频率允许的偏差。用 PPm 表示。Aging （年老化率）：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。Shunt Capacitance（静电容）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用 C0 表示