石英晶体振荡器
摘要：石英晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度较高的晶体振荡器。石英振荡器的频率稳定度可达10“一10q‘。Q值在105以上，且振荡频率可以做得很高，在对频率稳定度要求较高的各种通讯及其他电子设备中有广泛的应用。
关键词：压电谐振；石英谐振器；石英晶体振荡器；发展趋势
石英谐振器的开发和利用，拓宽了电子技术的应用领域。高精尖电子设备中的振荡器，几乎都采用石英晶体振荡器。
一．基本原理与结构
1.1石英晶体谐振器的结构
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（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谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料装的。下图6-1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
图1-1 金属外壳封装的石英晶体结构图
1.2 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。如图6-2（a）所示。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的多，这种现象称为压电谐振，如图6-2（b）所示，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。
二．基本振荡电路
2.1串联型晶体振荡器
（1）串联型谐振晶体振荡器工作原理
串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图8-1是一种串联型单管晶体振荡器电路，图8-2是其高频等效电路。这种振荡器与三点式
振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。Ｌ、、和组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。与电容三点式振荡电路十分相似，所不同的是反馈信号不是直接接到半导体管的发射极，而是经石英晶体接人实现正反馈。若LC选频回路的振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率，石英晶体谐振器就会呈现很小的电阻，实现正反馈最强，满0足振荡条件，振荡电路便可起振
（2）电路图及交流等效电路
RC,Rb1，Rb2,Re为晶体管静态工作点的控制，输出用lc并联谐振回路
晶体加在反馈回路中。C3为可变电容，vcc为12v电压。
ä³ö
图2-1 串联谐振型晶体振荡器
图2-2 串联晶体振荡器交流等效电路
2.2并联谐振型晶体振荡器
（1）电路原理图和交流等效电路
图8-3为并联谐振型晶体 c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）；图8-4为并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路。
图2-3. 并联谐振型晶体 c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）
图2-4 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路
（2)、振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：
(8-1)
(8-2)
以上三个接入系数一般均小于
响很小，提高了回路的标准性。
2.3 泛音晶体振荡电路 ，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影
在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。图8-5给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为５MHz，基频为１MHz，则回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在５MHz频率上，回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，回路呈感性，电
路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。
图8-5 泛音晶体振荡器电路
三．主要参数
1. 总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
2. 频率温度稳定度:在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
3. 开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如 5 分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。
4. 频率老化率:在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天,加电72小时后)，或规定的时限内最大的总频率变化(如:± 1ppm/(第 一年)和±5ppm/(十年))来表示。
5. 短稳短期稳定度。
6. 频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量
7. 率压控线性:与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
8. 单边带相位噪声￡(f):偏离载波 f 处,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
四．分类
1．按精度分类：
石英晶体振荡器按精度（或频率稳定度）可分为普通石英晶体振荡器，精密石英晶体振 荡器、中精密石英晶体振荡器和高精密石英晶体振荡器。
2．按封装结构及外形分类：
石英晶体振荡器按封装结构及外形可分为金属外壳晶体振荡器、玻璃外壳晶体振荡器、 胶木壳晶体振荡器和塑料外壳晶体振荡器。金属外壳封装的石英晶体振荡器又有锡焊、冷压焊和电阻焊三种。
3．按引出电极数目分类：
石英晶体振荡器按引出电极数目可分为双电极（二端）型晶体振荡器、三电极（三端） 型晶体振荡器和四电极（四端）型晶体振荡器。
4．按用途分类：
石英晶体振荡器按用途可分为彩色电视机用晶体振荡器、影碟机用晶体振荡器、无线通 信用晶体振荡器、电子钟表用晶体振荡器等多种类型。
5．按基本谐振电路分类：
石英晶体振荡器按基本谐振电路可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两种类型。
五．特点
◇ 在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。
◇ 当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络的带宽决定。
◇ 幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小。
◇ 在稳定状态下，闭合回路的增益为1。
六．功能应用
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，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz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。
七．发展趋势
对于石英晶体元器件而言，发展的趋势是小型化、片式化、集成化和环保。
手机和PDA已经遍地开花，而且还在逐步缩减尺寸和价格，这就给配套元件提出了新的要求，其结果是，高容积标准振荡器产品的封装从7×5mm向5×
3.2mm和3.2×2.5mm发展。另外一个重要的领域是消费电子，各种数码及IT产品正在成为年轻人所青睐的对象，而小巧、轻便无疑是这一领域非常重要的指标。所以该领域对电子元器件的小型化、片式化的需求是最强烈的；任何的石英晶体产品，都离不开水晶片，而对于水晶片而言，由于其本身结构及物理性能的关系，尺寸越大的水晶片越容易在振动、冲击中出现损坏。所以小型化在并不追求元器件尺寸的电子产品中也已经变得越来越重要。日本企业以小型化为主要发展方向，其主要应用市场是移动通信、固定通讯设备、医疗仪器、监视系统、车载、AV、OA以及家电等，大概占据全球晶体市场的60%。目前的日本企业已经几乎不生产DIP类型的产品，其SMD化比率达到了90%以上。
在高频率通信设计中，小封装尺寸通常比稳定性更加重要，所以这些应用场合通常是VCXO（压控振荡器）、SPXO（普通振荡器）、OCXO（恒温振荡器）、TCXO（温补振荡器）的领域，差分输出产品比如PECL和LVDS的需求也在增长，因为客户要求更快速的上升/下降时间，以减少数据损耗。另外，随着整机功能的增多，客户对于元器件的要求也更趋向于集成化，通常的说法是“交钥匙”。一般的谐振器，在使用时需要注意周围电路的匹配，需要配合适当的反馈电路、负载回路以及相位等，而振荡器则在晶振内部集成了振荡回路，用户不需要考虑其他因素，只要给振荡器提供电源，就可以获得所要的振荡频率。
八．结语
目前石英晶体振荡器正朝着型化、片式化、集成化和环保的趋势发展，表面贴装式的产品将日益成为市场的主流产品，广泛应用于融合通信、导航、卫星、雷达、测绘等领域，需求量以每年38%快速增长，未来具有广阔的市场空间。
参考文献：
［1］张世超,尚建国.石英晶体振荡器的仿真分析[J].西安航空技术高等专科学校学报,2011,03.
［2］王军.石英晶体振荡器[J].科技信息(科学教研),2007,24.
石英晶体振荡器
摘要：石英晶体振荡器是目前频率稳定度和精确度较高的晶体振荡器。石英振荡器的频率稳定度可达10“一10q‘。Q值在105以上，且振荡频率可以做得很高，在对频率稳定度要求较高的各种通讯及其他电子设备中有广泛的应用。
关键词：压电谐振；石英谐振器；石英晶体振荡器；发展趋势
石英谐振器的开发和利用，拓宽了电子技术的应用领域。高精尖电子设备中的振荡器，几乎都采用石英晶体振荡器。
一．基本原理与结构
1.1石英晶体谐振器的结构
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（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谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振；而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料装的。下图6-1是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
图1-1 金属外壳封装的石英晶体结构图
1.2 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。如图6-2（a）所示。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的多，这种现象称为压电谐振，如图6-2（b）所示，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。
二．基本振荡电路
2.1串联型晶体振荡器
（1）串联型谐振晶体振荡器工作原理
串联型晶体振荡器是将石英晶体用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件的特性，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶体串联谐振频率fs上起振。图8-1是一种串联型单管晶体振荡器电路，图8-2是其高频等效电路。这种振荡器与三点式
振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。Ｌ、、和组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。与电容三点式振荡电路十分相似，所不同的是反馈信号不是直接接到半导体管的发射极，而是经石英晶体接人实现正反馈。若LC选频回路的振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率，石英晶体谐振器就会呈现很小的电阻，实现正反馈最强，满0足振荡条件，振荡电路便可起振
（2）电路图及交流等效电路
RC,Rb1，Rb2,Re为晶体管静态工作点的控制，输出用lc并联谐振回路
晶体加在反馈回路中。C3为可变电容，vcc为12v电压。
ä³ö
图2-1 串联谐振型晶体振荡器
图2-2 串联晶体振荡器交流等效电路
2.2并联谐振型晶体振荡器
（1）电路原理图和交流等效电路
图8-3为并联谐振型晶体 c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）；图8-4为并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路。
图2-3. 并联谐振型晶体 c—b型振荡器电路（皮尔斯电路）
图2-4 并联谐振型晶体振荡器高频回路等效电路
（2)、振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是：
(8-1)
(8-2)
以上三个接入系数一般均小于
响很小，提高了回路的标准性。
2.3 泛音晶体振荡电路 ，所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影
在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中，为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上，不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡而且必须正确地调节电路的环路增益，使其在工作泛音频率上略大于1，满足起振条件，而在更高的泛音频率上都小于1，不满足起振条件。在实际应用时，可在三点式振荡电路中，用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振。图8-5给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为５MHz，基频为１MHz，则回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在５MHz频率上，回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，回路呈感性，电
路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。
图8-5 泛音晶体振荡器电路
三．主要参数
1. 总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
2. 频率温度稳定度:在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
3. 开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如 5 分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率，表示了晶振达到稳定的速度。
4. 频率老化率:在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器元件的缓慢变化造成的。因此，其频率偏移的速率叫老化率，可用规定时限后的最大变化率(如±10ppb/天,加电72小时后)，或规定的时限内最大的总频率变化(如:± 1ppm/(第 一年)和±5ppm/(十年))来表示。
5. 短稳短期稳定度。
6. 频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压，晶体振荡器频率的最小峰值改变量
7. 率压控线性:与理想(直线)函数相比的输出频率-输入控制电压传输特性的一种量度，它以百分数表示整个范围频偏的可容许非线性度。
8. 单边带相位噪声￡(f):偏离载波 f 处,一个相位调制边带的功率密度与载波功率之比。
四．分类
1．按精度分类：
石英晶体振荡器按精度（或频率稳定度）可分为普通石英晶体振荡器，精密石英晶体振 荡器、中精密石英晶体振荡器和高精密石英晶体振荡器。
2．按封装结构及外形分类：
石英晶体振荡器按封装结构及外形可分为金属外壳晶体振荡器、玻璃外壳晶体振荡器、 胶木壳晶体振荡器和塑料外壳晶体振荡器。金属外壳封装的石英晶体振荡器又有锡焊、冷压焊和电阻焊三种。
3．按引出电极数目分类：
石英晶体振荡器按引出电极数目可分为双电极（二端）型晶体振荡器、三电极（三端） 型晶体振荡器和四电极（四端）型晶体振荡器。
4．按用途分类：
石英晶体振荡器按用途可分为彩色电视机用晶体振荡器、影碟机用晶体振荡器、无线通 信用晶体振荡器、电子钟表用晶体振荡器等多种类型。
5．按基本谐振电路分类：
石英晶体振荡器按基本谐振电路可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两种类型。
五．特点
◇ 在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。
◇ 当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络的带宽决定。
◇ 幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小。
◇ 在稳定状态下，闭合回路的增益为1。
六．功能应用
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，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。
2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503kHz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。
七．发展趋势
对于石英晶体元器件而言，发展的趋势是小型化、片式化、集成化和环保。
手机和PDA已经遍地开花，而且还在逐步缩减尺寸和价格，这就给配套元件提出了新的要求，其结果是，高容积标准振荡器产品的封装从7×5mm向5×
3.2mm和3.2×2.5mm发展。另外一个重要的领域是消费电子，各种数码及IT产品正在成为年轻人所青睐的对象，而小巧、轻便无疑是这一领域非常重要的指标。所以该领域对电子元器件的小型化、片式化的需求是最强烈的；任何的石英晶体产品，都离不开水晶片，而对于水晶片而言，由于其本身结构及物理性能的关系，尺寸越大的水晶片越容易在振动、冲击中出现损坏。所以小型化在并不追求元器件尺寸的电子产品中也已经变得越来越重要。日本企业以小型化为主要发展方向，其主要应用市场是移动通信、固定通讯设备、医疗仪器、监视系统、车载、AV、OA以及家电等，大概占据全球晶体市场的60%。目前的日本企业已经几乎不生产DIP类型的产品，其SMD化比率达到了90%以上。
在高频率通信设计中，小封装尺寸通常比稳定性更加重要，所以这些应用场合通常是VCXO（压控振荡器）、SPXO（普通振荡器）、OCXO（恒温振荡器）、TCXO（温补振荡器）的领域，差分输出产品比如PECL和LVDS的需求也在增长，因为客户要求更快速的上升/下降时间，以减少数据损耗。另外，随着整机功能的增多，客户对于元器件的要求也更趋向于集成化，通常的说法是“交钥匙”。一般的谐振器，在使用时需要注意周围电路的匹配，需要配合适当的反馈电路、负载回路以及相位等，而振荡器则在晶振内部集成了振荡回路，用户不需要考虑其他因素，只要给振荡器提供电源，就可以获得所要的振荡频率。
八．结语
目前石英晶体振荡器正朝着型化、片式化、集成化和环保的趋势发展，表面贴装式的产品将日益成为市场的主流产品，广泛应用于融合通信、导航、卫星、雷达、测绘等领域，需求量以每年38%快速增长，未来具有广阔的市场空间。
参考文献：
［1］张世超,尚建国.石英晶体振荡器的仿真分析[J].西安航空技术高等专科学校学报,2011,03.
［2］王军.石英晶体振荡器[J].科技信息(科学教研),2007,24.