1、 石英晶体谐振器一、术语解释 1、 标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。 2、 工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。 3、 调整频差：在规定条件下，基准温度（252 ）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。4、 温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（252 ）时工作频率的允许偏差。 5、 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。 6、 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。 7、 负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率 fL 的有效外界电容，通常用 CL 表示。负载电容系
2、列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF 、50PF、100PF。8、 负载谐振频率（ fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。9、 动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用 R1 表示。10、 负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用 RL 表示。RLR1（1+C0/CL）211、 激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2m
3、W、 1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50W 、20W 、10W、1W、0.1W 等12、 基频：在振动模式最低阶次的振动频率。13、 泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有 3 次泛音，5 次泛音，7 次泛音，9 次泛音等。二、应用指南石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为 HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/SSMD、UM-1、UM-5 及柱状晶体等。HC-49U 适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。HC-49U/S 适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备
4、及产品中。HC-49U/SSMD 为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。UM 系列产品主要应用于移动通讯产品中，如 BP 机、移动手机等。石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。1、 振动模式与频率关系：基频 1 35MHz3 次泛音 1075MHz 5 次泛音 50150MHz7 次泛音 100200MHz9 次泛音 150250MHz2、 晶体电阻：对于同一频率，当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。“信号
5、源 +电平表 “功能由网络分析仪完成Ri、R0：仪器内阻：一般为 50R1-滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去 50。R2-滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去 50。在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。3、 工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时，应考虑设备工作引起的温升容限。当对温度频差要求很高，同时空间和功率都允许的情况下，应考虑恒温工作，恒温晶体振荡器就是为此而设计的。4、 负载电容与频率牵引：在许多应用中，都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求，这在锁相环回路及调频应用中非常必要，大多数情况下，这个负载电抗呈容性，当该电容值为 CL 时，则相对
6、负载谐振频率偏移量为：DL=C1/2（ C0+CL）。而以 CL 作为可调元件由 DL1 调至 DL2 时，相对频率牵引为 DL1，L2= C1（CL1CL2 ）/2（C0+CL1）（C0+CL2）。5、 负载电容的选择：晶体工作在基频时，其负载电容的标准值为20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶体经常工作在串联谐振，在使用负载电容的地方，其负载电容值应从下列标准值中选择：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。6、 激励电平的影响：一般来讲，AT 切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡；严重热频漂；过应力频漂及电阻突变。
7、当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定。7、 滤波电路中的应用：应用于滤波电路中时，除通常的规定外，更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度，由于滤波晶体设计的特殊性，所以用户选购时应特别说明。石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动实际上石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出这个回路包括 L1 C1 同时 C0 作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路与弹性振动有关的阻抗 R1 是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗(见图 1)石英晶体作为谐振器在使用时要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定温频特性与切割角有关每个石英晶体具有结晶轴
8、晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的典型的晶体切割和温频特性(见图 2)AT 型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示(见图 3) 一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割以达到要求的工作温度范围当然实际上即使在成功的操作中也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布由此操作的精确度需要提高在图 4 中可以看到频率公差和生产难度等级的关系负载电容 CL 是组成振荡电路时的必备条件在通常的振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗而振荡电路作为一个容抗被使用也就是说当晶体两端均接入谐振回路中振荡电路的负阻抗-R 和电容 CL 即被测出这时这一电容称为负载电容负
9、载电容和谐振频率之间的关系不是线性的负载电容小时频率偏差量大当负载电容提高时频率偏差量减小当振荡电路中的负载电容减少时谐振频率发生较大的偏差甚至当电路中发生一个小变化时频率的稳定性就受到巨大影响负载电容可以是任意值但 10-30PF 会更佳Equivalent Circuit of Crystal Oscillation Circuit (晶体振荡电路中的等效电路)在振荡电路中石英晶体谐振器作为感抗被使用石英晶体谐振器和振荡电路的关系如图 5 所示为提高振荡电路中的起振条件须提高振荡电路中的负阻抗而电路中没有足够的负阻抗偏差则较难起振在振荡电路中负阻抗的值应达到谐振阻抗的 5-10 倍在振荡电
10、路中负载电容的中心值其决定谐振频率的绝对值和其变化范围谐振频率的良好调整范围应保持在最佳值Oscillation Circuit (振荡电路)一个由石英晶体谐振器组成的典型振荡电路如图 7 所示Frequency (MHZ) Cg, Cd (PF) Rd (V) CL (PF)3-4 27 5.6K 164-5 27 3.9K 165-6 27 2.7K 166-8 18 2.7K 128-12 18 1.8K 1212-15 18 1.0K 1215-20 15 1.0K 1220-25 12 660 10Spurious Resonances (寄生响应)所有石英谐振器均有寄生在主频率之外
11、的不期望出现的振荡响应他们在等效电路图中表现为附加的以 R1 L1C1 形成的响应回路寄生响应的阻抗 RNW 与主谐振波的阻抗 Rr 的比例通常以衰减常数 dB 来表示,并被定义为寄生衰减 aNW=-20 lg对于振荡用晶体,3 至 6dB 是完全足够的.对于滤波用晶体, 通常的要求是超过 40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到.可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时, 应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系.在 AT 切型中
12、,对于平面晶片 ,“不和谐的响应“只存在于主响应的+40 至+150KHZ 之间, 对于平凸或双面凸的晶片, 寄生则在+200 至+400KHZ 之间.在以上的测量方法中,寄生响应衰减至 20 至 30dB 时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0 的补偿是必需的.Drive Level (DLD) (激励功率依赖性)石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为 Pc=12qR1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过 10mV.由于 L1 和 C1 电抗性的功率振荡,存在 Qc=Q x Pc. 若 Pc=1mV, Q=100
13、.000, Qc 则相当于 100W. 由于低的 Pc 功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著. 上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为 0.1mV,故在生产晶体时也一般按 0.1mV 进行.一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自 1nW 逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作
14、良好.上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试 DLD 是用 110mV 测试后再用 1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.利用适当的测试仪器可以很快地进行 DLD 极限值的测定, 但是只能进行合格/不合格的测试.IEC 草案 248 覆盖了根据(DIV)IEC444-6 制定的激励功率的依赖性的测量方法.提供具有充分的反馈和良好脉冲的最优化的振荡回路,可以极大的消
15、除振荡的内部问题.Notes for Crystal Unit Applications(石英晶体谐振器使用的注意点)(1)与 HC-49/U 相比 ,小的石英晶体谐振器( 如 HC-49U/S, HC-49USM, UM-1, 49T) 都是低激励功率(100um 或以下). 在使用之前,须在一个实际的安装电路中检验晶体电流(见图 5).深圳市格利特电子有限公司TEL:+86-755-83476790 FAX:+86-755-83383601 HTTP:/ E-mail:(2)须检查电路的负阻抗,负阻抗的认可见图 8.负阻抗应是谐振阻抗的 5 倍左右.(3)当使用 C-MOS 振荡器时(见图
16、 7)线路图中的 Rd 是必要的. 如果Rd 达到要求 , 激励功率会保持在规定值内, 那么谐振频率也就稳定了.(4)在 10-30PF 内,可以用 Cg 和 Cd, 如果 Cg 和 Cd30PF, 振荡会被电路现象轻易的影响, 激励功率会升高,或负阻抗会减小, 最终导致振荡的不稳定.(5)晶体振荡电路的设计应尽量简短.(6)电路和线路板间的杂散电容应尽量被减少.(7)尽量避免晶体振荡电路穿过其他电路.(8)如果电路用 IC 方式,而且 IC 制造各不相同,那么频率, 激励功率, 负阻抗须被确认.(9)泛音振荡电路还需要附加的参考.摘要：石英晶体振荡器在无线系统等应用领域中提供频率基准，是目前
17、其它类型的振荡器尚不能替代的。本文介绍了 TCXO、VCXO和 OCXO 等几类晶体振荡器的结构、特点、发展现状及其在移动通信等领域的应用。关键词：石英晶体振荡器一、引言尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史，但因其具有频率稳定度高这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。小型化、片式化、低噪声化
18、、频率高精度化与高稳定度及高频化，是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振荡器只有在技术上不断创新，才能延长其寿命周期，在竞争中占有优势。二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/p 补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO ）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO ）。现以SPXO 为例，简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO 主要是由品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件，晶体的频率（基频或 n 次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路如图 1 所示。
