石英晶體諧振器(英文：quartz crystal unit或quartz crystal resonator，常被標識為Xtal，Extenal Crystal Osillator，外部晶振器，因為晶振單元常常作為電路外接)，簡稱石英晶體或晶振，是利用石英晶體(又稱水晶)的壓電效應，用來產(chǎn)生高精度振蕩頻率的一種電子元件，屬于被動元件。該元件主要由石英晶片、基座、外殼、銀膠、銀等成分組成。
根據(jù)引線狀況可分為直插(有引線)與表面貼裝(無引線)兩種類型。當前常見的主要封裝型號有HC-49U、HC-49/S、GLASS、UM-1、UM-4、UM-5與SMD。
石英晶體振蕩器,石英晶體振蕩器是什么意思
頻率范圍很寬，頻率穩(wěn)定度在10-4～10-12范圍內(nèi)，經(jīng)校準一年內(nèi)可保持10-9的準確度，高質量的石英晶體振蕩器，在經(jīng)常校準時，頻率準確可達10-11.高效能模擬與混合信號IC廠商Silicon Laboratories(芯科實驗室有限公司)日前推出業(yè)界第一款支持輸出頻率可編程的振蕩器(XO)和壓控振蕩器(VCXO)。Si570/1系列采用公司專利的DSPLL技術和業(yè)界標準的I2C接口，通過對I2C接口的操作，一顆器件就能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何輸出頻率，同時將均方根抖動幅度減少到0.3ps左右。Si570任意頻率XO和Si571任意頻率VCXO最適合需要彈性頻率源的高效能應用，包括下一代網(wǎng)絡設備、無線基站，測試與測量裝置、高畫質電視視頻基礎設施和高速數(shù)據(jù)采集裝置。
硬件設計人員過去必須用多個固定頻率XO、VCXO或壓控SAW振蕩器(VCSO)，才能開發(fā)出復雜系統(tǒng)所需的可變頻率架構，并讓它們以不同頻率操作。但這種方法的成本很高，需要復雜的模擬鎖相回路(PLL)設計和布局，還會延長新開發(fā)產(chǎn)品的上市時間。
Si570/1可編程XO和VCXO的彈性振蕩器能產(chǎn)生10MHz到1.4GHz的任何頻率，使得一顆器件就能取代多個固定頻率振蕩器，不僅簡化鎖相回路的設計與布局，還大幅減少元器件數(shù)目、系統(tǒng)成本和電路板面積。另外，由于Si570/1省下多個原本可能成為故障點的固定頻率振蕩器，所以系統(tǒng)會變得更可靠。
Si570/1能通過業(yè)界標準的I2C接口設定操作頻率，這使器件的編程設定和重新配置變得更簡單。Si570/1還能不限次數(shù)重新編程，讓系統(tǒng)設計人員將同一套時鐘頻率架構重復用于不同的最終應用，這能簡化設計和加速上市時間。
Si570/1采用業(yè)界標準和RoHS兼容的5×7毫米表面貼裝封裝，并支持所有常見的輸出信號格式(LVPECL、LVDS、CMOS和CML)。此系列包含三種不同速度等級的器件，分別是10MHz-1.4GHz、10-810MHz和10-215MHz。Si570任意頻率石英振蕩器還有±20ppm和±50ppm兩種不同的溫度穩(wěn)定性規(guī)格可供選擇，Si571任意頻率壓控石英振蕩器則包含從±12ppm到±375ppm等多種不同壓控范圍(Absolute Pull Range)的器件，以便設計人員彈性選擇最適合其應用的器件。Si570/1的操作溫度范圍都是從-40至+85℃。
標稱頻率：振蕩器輸出的中心頻率或頻率的標稱值。
可選頻率范圍：我們所能提供的某種規(guī)格的振蕩器的可實現(xiàn)的頻率輸出。
頻率溫度穩(wěn)定度：在指定溫度范圍內(nèi)振蕩器的輸出頻率相對于25°C時測量值的最大允許頻率偏差。
老化：在確定時間內(nèi)輸出頻率的相對變化。
輸出：振蕩器輸出的波形及功率。
占空比：反映輸出波形的對稱性，也就說，在一個周期內(nèi)，高電平與低電平所占比例之比。
上升時間：方波從低電平轉換為高電平的時間。
下降時間：方波從高電平轉換為低電平的時間。
諧波：振蕩器在相對于輸出頻率諧振點處的抑制。
非諧波：振蕩器在相對于輸出頻率非諧振點處的抑制。
短期頻率穩(wěn)定度：振蕩器在較短時間內(nèi)輸出頻率的穩(wěn)定性，通常為1秒。
相位噪聲：用于描述振蕩器的短期頻率波動，通常定義為載波發(fā)生某一頻率偏移是在1Hz帶寬內(nèi)的單邊帶功率密度，單位為dBc/Hz。
電源電壓：加在振蕩器電源端(Vcc)的能夠使振蕩器正常工作的電壓。
電源電流：流過振蕩器電源端(Vcc)的總電流。
工作溫度范圍：能夠保證振蕩器輸出頻率及其它各種特性能滿座指標要求的溫度范圍。
石英晶體振蕩器特點
在振蕩頻率上，閉合回路的相移為2nπ。
當開始加電時，電路中唯一的信號是噪聲。滿足振蕩相位條件的頻率噪聲分量以增
大的幅度在回路中傳輸，增大的速率由附加分量，即小信號，回路益增和晶體網(wǎng)絡
的帶寬決定。
幅度繼續(xù)增大，直到放大器增益因有源器件(自限幅)的非線性而減小或者由于某
一自動電平控制而被減小。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，閉合回路的增益為1。
石英晶體振蕩器簡介
石英諧振器簡稱為晶振，它是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產(chǎn)生機械振動，當交
變電場的頻率與田英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。利用這種特性，就可以用石英諧振器取代LC(線
圈和電容)諧振回路、濾波器等。由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點，被應用于家用電器和通信設備中。
石英諧振器按引出電極情況來分有雙電極型、三電極型和雙對電極型幾種。圖l為雙電極型石英諧振器的外形，盡管它們的體積有大有小、固有振蕩頻率有高有低，但在電路圖中均用圖1(b)符號表示。三電極型和雙對電極型石英諧振器的符號見圖。2。
石英諧振器因具有極高的頻率穩(wěn)定性，故主要用在要求頻率十分穩(wěn)定的振蕩電路中作諧振元件，如彩電的色副載波振蕩器、電子鐘表的時基振蕩器及游戲機中的時鐘脈沖振蕩器等，石英晶體成本較高，故在要求不太高的電路中一般采用陶瓷諧振元件。
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英晶體振蕩器的結構
石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構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。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。
2、壓電效應
若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。
3、符號和等效電路
石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數(shù)Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即(1)當L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，(2)當頻率高于fs時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。
根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗—頻率特性曲線如圖2e所示?？梢姰旑l率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時，石英晶體呈容性。僅在fs
二、石英晶體振蕩器類型特點
石英晶體振蕩器是由品質因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。國際電工委員會(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類：普通晶體振蕩(TCXO)，電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)，溫度補償式晶體振蕩(TCXO)，恒溫控制式晶體振蕩(OCXO)。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補償式晶體損振蕩(DCXO)等。
普通晶體振蕩器(SPXO)可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)定度是±100ppm。SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。
恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。
三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對于高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩(wěn)定度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據(jù)具體要求選擇適當?shù)木д?，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。
四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢
1、小型化、薄片化和片式化：為滿足移動電話為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。
2、高精度與高穩(wěn)定度，目前無補償式晶體振蕩器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)定度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振蕩器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用于GSM等移動電話的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。
4、低功能，快速啟動，低電壓工作，低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)定時間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預熱5分鐘后，則能達到±0.01 ppm的穩(wěn)定度。
五、石英晶體振蕩器的應用
1、石英鐘走時準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時增快。只要經(jīng)過耐心的反復試驗，就可以調(diào)整走時精度。因此，晶振可用于時鐘信號發(fā)生器。
2、隨著電視技術的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。
3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應用于通信網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>
石英晶體振蕩器工作原理
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設備產(chǎn)生時鐘信號和為特定系統(tǒng)提供基準信號
石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構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
若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機械振動，同時晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關
當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振蕩時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質因數(shù)Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度
計算機都有個計時電路，盡管一般使用“時鐘”這個詞來表示這些設備，但它們實際上并不是通常意義的時鐘，把它們稱為計時器(timer)可能更恰當一點。計算機的計時器通常是一個精密加工過的石英晶體，石英晶體在其張力限度內(nèi)以一定的頻率振蕩，這種頻率取決于晶體本身如何切割及其受到張力的大小。有兩個寄存器與每個石英晶體相關聯(lián)，一個計數(shù)器(counter)和一個保持寄存器(holdingregister)。石英晶體的每次振蕩使計數(shù)器減1。當計數(shù)器減為0時，產(chǎn)生一個中斷，計數(shù)器從保持寄存器中重新裝入初始值。這種方法使得對一個計時器進行編程，令其每秒產(chǎn)生60次中斷(或者以任何其它希望的頻率產(chǎn)生中斷)成為可能。每次中斷稱為一個時鐘嘀嗒(clocktick)。
晶振在電氣上可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡，電工學上這個網(wǎng)絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率為串聯(lián)諧振，較高的頻率為并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏谶@個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。
這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。
一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15p或12.5p，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。
下載文檔
