石英晶振的原理與電路組成設(shè)計(jì)

摘 要：石英晶振是一種高精度、高穩(wěn)定度的振蕩器，是利用石英晶體的壓電效應(yīng)而制成的諧振組件，以取代LC 選頻電路，頻率穩(wěn)定度高達(dá)10 - 9 - 10 - 11 ,廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品的振蕩電路中，如通信系統(tǒng)中的頻率發(fā)生器等。作用：為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，提供系統(tǒng)振蕩脈沖，穩(wěn)定頻率，選擇頻率。本文將對石英晶振的基本特性、穩(wěn)頻條件、及電路設(shè)計(jì)方面做簡單介紹。

一、水晶材料基本特性

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，在它的兩個(gè)對應(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。

石英晶體在壓力作用下產(chǎn)生形變，同時(shí)產(chǎn)生電極化。其極化強(qiáng)度與壓力成正比，這種現(xiàn)象就稱"正壓電效應(yīng)".反之，在電場作用下，晶體產(chǎn)生形變，其形變大小與電場強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱"逆壓電效應(yīng)".

在二十多類具有壓電效應(yīng)的晶體中，石英晶體是無線通訊設(shè)備中最為滿意的材料之一。它的機(jī)械強(qiáng)度高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，內(nèi)損耗低等，用它制成的器件被廣泛用在頻率控制和頻率選擇電路中。石英片的取向不同，其壓電特性、彈性特性和強(qiáng)度特性就不同，用它來制造的諧振器的性能也不一樣，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了幾十種有用的切割方式。

二、石英諧振器的穩(wěn)頻條件

石英晶振的頻率穩(wěn)定度與以下三方面有關(guān)：負(fù)載電容、激勵(lì)電平和頻率溫度特性。

1 、負(fù)載電容。石英諧振器一般作為電感組件在振蕩電路中起穩(wěn)頻作用，而電路的其它組件均可等效為一個(gè)負(fù)載電容與石英諧振器的等效參數(shù)及頻率穩(wěn)定度帶來影響。

從石英晶振元件兩腳向振蕩電路方向看進(jìn)去的所有有效電容，就是該振蕩電路加給石英晶振的負(fù)載電容。負(fù)載電容同石英晶振共同決定電路的工作頻率。

通過調(diào)整負(fù)載電容，就可以將振蕩電路的工作頻率調(diào)整到標(biāo)稱值。負(fù)載電容選用要合理，電容太大時(shí)，雜散電容影響減小，但微調(diào)率下降; 容值太小時(shí)，微調(diào)率增加，但雜散電容影響增加、負(fù)載諧振電阻增加， 甚至起振困難。

2 、激勵(lì)電平。一般取70 -100uA 為佳，用激勵(lì)功率表示時(shí)，一般取1 -100uW 為佳。激勵(lì)電平的大小直接影響石英諧振器的性能，所以電路設(shè)計(jì)者一定要嚴(yán)格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵(lì)電平下工作，以便充分發(fā)揮石英諧振器的特點(diǎn)。一般來講，激勵(lì)電平偏小對于長穩(wěn)有利，激勵(lì)電平稍大對于短穩(wěn)有利。但是激勵(lì)電平太大，石英片振動(dòng)強(qiáng)，振動(dòng)區(qū)域溫度升高，石英片內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，會(huì)使頻率穩(wěn)定度降低;激勵(lì)電平過大，由于機(jī)械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移，使頻率產(chǎn)生永久性的變化，甚至有時(shí)會(huì)把石英片振壞;激勵(lì)電平過大，會(huì)使等效電阻增加，Q 值下降，電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規(guī)則;激勵(lì)電平過大，容易激起寄生振動(dòng)，同時(shí)還會(huì)使老化變大。當(dāng)然，激勵(lì)電平過低也會(huì)使信噪比變小而影響短期穩(wěn)定度，激勵(lì)電平太低，諧振器不易起振，影響工作的穩(wěn)定和可靠性。所以諧振器使用應(yīng)根據(jù)不同的要求嚴(yán)格控制激勵(lì)電平，更不能為了增大輸出而隨意提高激勵(lì)電平。

3 、頻率溫度特性。

三、石英振蕩電路的組成與設(shè)計(jì)

石英振蕩電路的形式很多，但基本電路只有兩類：

并聯(lián)晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器。前者石英晶體是以并聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)，而后者則是以串聯(lián)諧振的形式出現(xiàn)。石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器XTAL 、電阻、PCB 等組成，下面對各組成部分做簡單說明：

1、IC:可根據(jù)實(shí)用的需要任意選用，如CMOS 反向器IC;專用振蕩IC;大規(guī)模的數(shù)字IC 中自備石英振蕩門。

2 、負(fù)載特性：振蕩電路(除去CRYSTAL) ,具有一個(gè)負(fù)阻特性(用網(wǎng)絡(luò)頻譜分析儀) ,振蕩電路負(fù)阻值(絕對值) 必須大于3 倍的CRTSTAL 電阻值( CRYS2TAL ESR/ RR) ,振蕩電路才可以穩(wěn)定的振蕩。

3 、電容：可根據(jù)用戶的需要選用片式或傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，但是應(yīng)注意選擇適用于高頻的、低損耗的，選用NP0 系列的溫度系數(shù)產(chǎn)品。

電阻：在選擇尺寸的同時(shí)需注意功耗的滿足。

4 、PCB :注意能滿足高頻的使用場合和注意盡量降低線路的分布參數(shù)，大面積接地和一點(diǎn)式接地方案的采納。有必要的時(shí)候應(yīng)注意EMI 的防護(hù)。

5 、石英諧振器XTAL :頻率大于1MHz 的諧振器應(yīng)選用ATMODE ,可根據(jù)用戶的需要選擇合適的外形尺寸和封裝的晶體。主要電性指標(biāo)： FL 、ESR 的CLOCK需要選用FL 及公差，并按Cg/ Cd 值，計(jì)算而得CL =

6 、ESR :單位Ω，工作溫度范圍的頻率公差。

正確的選取Cg/ Cd 的值將有利于振蕩電路的工作穩(wěn)定，并能使振蕩頻率滿足使用的CL K 要求。其選取的步驟如下：

(1) 首先應(yīng)該按照- R 的需要選擇Cg/ Cd ,在滿足TS 的情況下應(yīng)盡量小些，保持較高的- R 以保證振蕩的穩(wěn)定性。當(dāng)無法滿足- R 要求時(shí)應(yīng)考慮對IC 的特性重新評(píng)價(jià)、選擇。

(2) Rf 值選?。喝∮玫腦TAL 為基本波的時(shí)候，Rf選用1MΩ;3RD 模式的XTAL 時(shí)須考慮截止頻率必須界于基頻與3RD 的中間以保證3RD 工作正常為原則，通常Rf 阻值在2 - 15KΩ 間。

(3) 為了避免對XTAL 的過激勵(lì)而影響電路的正常工作，建議采用Rr 以控制XTAL 的激勵(lì)功率;其數(shù)值視頻率高低可在33 - 68Ω間選取。

(4) 對于有EMI 要求的振蕩電路設(shè)計(jì)中必須選取SEAM 焊封4PAD 的晶體諧振器，同時(shí)賦予合理接地方式，可滿足EMI 防護(hù)的需求。

四、發(fā)展趨勢

石英產(chǎn)品與其它的電子器件同樣朝著輕薄短小演進(jìn)。石英產(chǎn)品從1990 年開始朝著SMD 的方向發(fā)展，1998 年開始又向小型SMD 的方向發(fā)展，因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來。隨著CPU 的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的加快，石英諧振器和石英振蕩器的高頻化進(jìn)程也在加快。在石英水晶的壓電效應(yīng)發(fā)展至今，將進(jìn)入重要的頻率控制組件發(fā)展的新紀(jì)元。