石英晶体的应用.docx

1、石英晶体的应用石英晶体的应用.石英晶体元器件的分类和相关术语石英晶体元器件一般分为三大类， 即石英晶体谐振器， 石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。1 1 石英晶体谐振器相关的术语标称频率晶体元件规范指定的频率串联谐振频率 (Fs)等效电路中串联电路的谐振频率并联谐振频率 (Fp)等效电路中并联电路的谐振频率负载频率 (FL)晶体带负载时的频率负载电容 (CL)与谐振器联合决定工作频率的有效外界电容静电容 (C0)等效电路中与串联臂并联的电容动电容 (C1)等效电路中串联臂中的电容动态电感 (L1)等效电路中串联臂中的电感动态电阻 (R1)等效电路中串联臂中的电阻频率精度工作频率与标称频率的偏差等

2、效电阻 (ESR)谐振器与规定的负载电容串联的总阻抗频率温度特性频率随温度变化的特性室温频率偏差谐振器在室温下频率的偏差频率 /负载牵引系数 (Ts)负载电容对频率影响的能力老化率晶体频率随时间的漂移Q值晶体的品质因数激励功率(电平)谐振器工作时消耗的功率激励功率依赖性 (DLD)谐振器在不同激励功率下参数的特性温度频率偏差频率随温度变化与标称频率的偏差工作温度范围谐振器规定的工作温度范围泛音晶体的机械谐波寄生响应晶体除主响应 (主频率 )外的其他频率的响应1 2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器。石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器(石英晶体振子)和振荡电路组成

3、。晶体的品质、切割取向、晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能。相关术语标称频率晶体元件规范指定的频率频率温度特性振荡频率随温度变化而改变的特性长期频率稳定度振荡器长时间工作频率的稳定性短期频率稳定度振荡器短时间工作频率的稳定性温度频率偏差振荡频率随温度的偏差室温频率偏差在室温时振荡频率的偏差起振时间振荡输出达到规定值的时间上升时间 (方波输出)方波输出时波形从 10%到 90% 所需的时间下降时间 (方波输出)方波输出时波形从 90%到 10% 所需的时间占空比 （ 方波输出 ）方波输出时正脉冲宽度占周期的百分比频率精度振荡频率相对标称频率的精确程度消耗电流振荡器工作时消耗的电流

4、相位噪声信号中相位的随机变化量最大电压（方波输出）振荡器输出电压最大值最小电压（方波输出）振荡器输出电压最小值基准温度初始精度振荡器在规定基准温度下的振荡频率的精度频率电压允差根据输入电压的最大，最小和标称值来确定频率负载允差根据负载的最大，最小和标称负载来确定谐波与副谐波失真谐波和 副谐波响应的程度杂波响应规定带宽内与杂波输出有关的非谐波响应耐过压能力振荡器经受 120 规定电源电压的最大的过压能力峰-峰值（ Vpp ）输出电压最大与最小的差值负性阻抗晶体串联电阻 ,使振荡器从振到不振时的阻值当前石英晶体振荡器的发展， 不仅表现在系列品种的增加和市场需求量的增长方面， 而 且体现在产品技术创

5、新上。技术方面主要有以下几点：a小型化、薄型化和片式化 为满足以移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短、小的要求，石英晶体振荡器的封装 由传统的裸金属外壳向覆塑料金属和陶瓷封装转变， 近年来 TCXO 器件平均缩小了 30 多倍， 有的近 100倍。采用 SMD 封装的 TCXO 的厚度不足 2mm， 53mm 尺寸的器件已经上市。 在几种主要类型的石英晶体振荡器中， TCXO 的体积缩小最明显，其次是 VCXO 。石英晶 体振荡器体积的进一步缩小， 使得晶体振子的频率可变范围变小， 并使温度补偿困难化。 同 时，片式封装的回流焊作业至少要在 240下一直持续约 10 秒钟，如不采取局部散热措施

6、， 很难使石英晶体振子的频率偏移量控制在 0 5106 范围内，需要说明的是：此类器件远未进入微型化的极限，体积的进一步缩小仍有一定的余量。b高精度与高稳定化 移动通信技术的发展之所以能使石英晶体振荡器焕发出勃勃生机，关键在于其具有很高 的频率精度和稳定度，目前即使是无补偿式的晶体振荡器，其总精度也能达到 25ppm。在TCXO 、 VCXO 和 OCXO 三种类型的器件中， OCXO 的频率稳定度最高，而 VCXO 的频率 稳定度则相对稍许逊色一些。在 0 70范围内， VCXO 的频率稳定度一般为 20100ppm，而 OCXO 在这一温度范 围内的频率稳定度一般为 0 0001 5ppm

7、。 VCXO 主流产品的频率稳定度大多控制在 25ppm 以下，频率调整范围可达 25 100ppm，老化率低于 2ppm年。目前， OCXO 产 品的一般水平是：频率稳定度在 0001ppm（ 20 60），年老化率低于 005ppm。虽 然 OCXO 体积较大，但在精密频率计数器、频谱及网络分析仪、基站及导航等领域中仍被 广泛应用。c低噪声，高频化在全球定位系统（ GPS）中是不允许频率颤抖的，相位噪声则是表征振荡器频率颤抖的 一个重要参数。 对 OCXO 器件来说， GPS 系统往往要求其具有较高的抑制相位噪声的能力。 这使得 OCXO 主流产品的相位噪声性能有了很大改善。目前除 VCX

8、O 外，其它类型的晶体 振荡器的最高输出频率一般不过 200MHz 。目前，提高 VCXO 振荡频率主要依靠石英晶体SAW 谐振器、 变容二极管、 串联电感器及放大器组成的压控 SAW 振荡器 （VCSO）来完成。 在 GSM 和 PDC 等移动电话所有的振荡器中， 频率较高的是 UCV4 系列压控振荡器 （ VCO ）， 其频率荡围为 6501700MHz ，电源电压为 2233V，工作电流为 8 10mA。d低功耗，启动快 不同类型的石英晶体振荡器的工作电压不同，但应尽可能的采用 3 3V 的电源电压。低电平动和低电流消耗已成为一个趋势，目前很多 TCXO 和 VCXO 产品的电流损耗不超

9、过 2mA 。石英晶体振荡器在快速启动技术方面也取得了突破性进展。公司生产的 VCXO 石英晶体 振荡器在 01ppm 规定值范围内， 其频率稳定时间小于 4 ms。在 1ms 以内输出振荡信号的 振幅可达到额定值的 90。有些 TCXO ，在振荡启动 4ms 后，其幅值可达到额定值的 90。 OCXO 等产品则可在 5 分种的预热时间内达到 001ppm 的稳定度。此外，目前绝大多数石英晶体振荡器的输出逻辑与 TTL 、高速 CMOS（HCMOS ）或 TTLHCMOS 兼容， 因而提高了器件的适应性和设计的灵活性。 （ECL/PECL 高速接口方面知识有供参考资料 ）应用指南根据晶振的不同

10、使用要求及特点， 通常分为以下几类： 普通晶振、温补晶振、压控晶振、 温控晶振等。 安装晶振时， 应根据其引脚功能标识与应用电路应连接， 避免电源引线与输出 引脚相接输出。在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变 过程。 测试仪器应有足够的精度， 连线合理布置， 将测试及外围电路对晶振指标的影响降至 最低。1.2.1、 普通晶振 （PXO ）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器， 在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能，频率稳定度在 10-5 量级，一般用 于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。1.2.2、 温补晶振

11、（ TCXO ）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达 到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网 络。补偿后频率稳定度在 10-710-6 量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功 耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，因而获行了广泛应用。1.2.3、 压控晶振（ VCXO ）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶 体振荡器， 主要用于锁相环路或频率微调。 压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电 路所用变容二极管及晶体参数两者的组合。1.2.4、 恒温晶振（ OCXO ）：采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体

12、的零温度系 数点的温度上。中精度产品频率稳定度为 10-710-8 ，高精度产品频率稳定度在 10-9 量级以上。主要用作频率源或标准信号源1 3 石英晶体滤波器 单片晶体滤波器（ MCF ）是在石英基片表面配置若干金属电极而构成的带通和带阻滤 波器。它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间矩， 以控制超声波的声学耦合，从而达到滤波的目的。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、 稳定性好、阻带衰减高，现已在移动通信设备中大量使用，是必不可少的初级中频滤波器， 对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要作用。国外 MCF 产品实用化水平为：中心频率为 几MHz 150MHz

13、 ，带宽 000101，频道间隔 125 25kHz ，最小封装尺寸为 8832mm， 重量为 04g。MCF 目前的发展方向集中在开发新型压电材料、扩展带宽、减少带内延时波动、增大 带外衰减、扩充和提高中频点和线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化。相关术语1.3.1、 插入损耗：直接传送给负载阻抗的功率（ P0）和插入滤波器后传送给负载阻抗的功率（ P1）之比的对数值。通常用分贝（ dB）为单位进行度量，表示为 10 lg （P0/ P1）。1.3.2、 通带波动：通带内衰耗的最大峰值与最小谷值之差。1.3.3、 通带宽度；指相对衰耗小于和等于某一规定值时的频率宽度（如 1dB、 2dB、

14、3dB、 6dB 等）1.3.4、 阻带衰耗：指整个阻带内的最小衰耗值。1.3.5、 阻带宽度： 相对衰耗等于和大于某规定值时的频带宽度 （如 40dB 、50dB、60dB、 80dB 等）。1.3.6、 匹配阻抗：滤波器技术条件中要求的端接匹配阻抗值。性能优良的滤波器在与 其端接的电路阻抗不匹配时，滤波特性会变差，引起通带波动增大，插损增加。当外电路阻 抗低于滤波器特性阻抗时，中心频率将下移，反之上移。应用指南 石英晶体滤波器根据其结构不同分为集成式单片滤波器和分离式滤波器。 集成式滤波器结构简单、体积小、价格低，但其带宽和频率受到限制，分离式滤波器 则可以弥补集成式滤波器的不足，使可实现

15、的频率和带宽得以拓展。数字通讯技术的发展，对晶体滤波器的群延时特性及互调失真指标提出要求，而分离 式滤波器能够较容易解决。二.石英晶体元器件的应用领域 石英晶体元器件主要用于通信、 计算机、彩色电视机、 钟表、音像制品、其它家用电器、 电子玩具、医用电子设备、汽车电子、广播电视设备以及仪器仪表等各个方面。2 1 通信 石英晶体元器件可大量用于电话终端机、程控交换机、移动电话、无线电话、传呼机、 传真机、无线通信、微波通信、卫星通信、通信海缆工程和通信地缆工程。近几年来移动通 信作为中国信息产业的支柱产业得到了高速发展，据统计， 1993 年中国的移动电话用户为 1300 万户，到 1998 年

16、底已发展到 2498 万户， 2000 年已达到 5000 万以上， 2001 年，中国 的移动电话用户将达到 2 亿。而每部电话需要三种石英晶体产品， 即温度晶振、 石英晶体元 件及单片晶体滤波器，因此石英晶体元器件的微型化和片式化将大大促进单机的小型化发 展。目前中国蜂窝移动通信市场大部分被外国公司占领， 而这些外国公司的基础元器件也都 是从外国直接采购的， 其整机的国产化率比较低， 国家每年要花费大量的外汇从国外进口基 础晶体元器件。2 2 计算机 石英晶体元器件可大量用于各类大中型计算机，尤其在微机及其周边设备中用量更大。 一台多媒体微机大约使用 10 只晶体元器件。在打印机、调制解调

17、器、扫描仪中都要用到晶 体元器件。2 3 钟表 石英晶体元器件进入钟表导致了钟表业的一次革命，它使时钟精度提高了几十倍，而又 使价格和成本大幅度下降，从而使钟表业得到空前普及和发展。2 4 家用电器 石英晶体元件在彩色电视接收机上的主要用途是用于副载频恢复振荡器、 计时、 制式转换 和遥控。在音像制品方面主要用于录像机、摄像机、 VCD 、 DVD 、CD、数字像机和数字收 音机等。 其它家用电器如电冰箱、 微波炉、 电饭锅、洗衣机、 空调等都使用晶体计时。 另外， 石英晶体元器件还可用于电子玩具：如电子游戏机、对讲机、遥控器等。2 5 汽车电子在汽车电子方面， 石英晶体元器件主要用于汽车导向

18、、 功能控制、电子地图、电子定位仪 和汽车音响系统。26 医用电子仪器在心脏起搏器、 CT 机、核磁共振仪、血压计等医用电子仪器仪表中，也要大量使用石英 晶体元器件。2 7 其它石英晶体具有很高的频率稳定性， 同时对温度和力也很敏感， 采用石英晶体的测温计的 温度分辩率可达到百分之一摄氏度。 由于石英晶体对力的敏感更为特殊， 因此， 采用石英晶 体的力学测量仪器既可以监测地壳的巨大应力，又可测出室内烟尘微粒的重量下面是不同电子产品中使用的典型频率点 a彩色电视机中彩色副载波恢复振荡器用晶体的标称频率有 4.43MHZ（ PAL 制）、3.58MJHZ（ NTSC制）和 8.86MHZ（ TDA

19、3560、TDA3565等集成电路 用）等。遥控发射器 中使用的晶体的标称频率有 455kHZ、480 kHZ 、429MHZ、 500 MHZ和 560 MHZ等。行振 荡用晶体的标称频率一般为 503.5kHZ 。c录像机用晶体 录像机上使用晶体的标称频率有 32 kHZ、3.58MHZ、4MHZ、4.13MHZ、4.43MHZ等几种规格。d. 影碟机用晶体 VCD、 DVD 等影碟机上使用的晶体，标称频率有 3.579545MHZ、4.19MHZ、4.236MHZ、4.43MHZ、8MHZ、8.4672MHZ、12MHZ、14.31818MHZ、16.9344MHZ、 17.7344MH

20、Z、 40.5MHZ等多种规格。e移动通信用晶体 移动通信设备（例如对讲机、移动电话、无绳电话等）上使用的晶体，标称的频率范围有 2.43MHZ、34MHZ、33.2MHZ、3.23.5MHZ、3.53.9MHZ 、 3.94MHZ、44.1MHZ、45MHZ、57MHZ、710MHZ、39MHZ、1015MHZ、925MHZ、1030MHZ、 2575MHZ、3070MHZ、75125MHZ、125MHZ、 1.825MHZ、325MHZ、2550MHZ等多种 规格。f 电话机、汽车电子器材中常用晶体标称频率有 2.712MHZ、 3.579MHZ、 4.19MHZ、4.986MHZ、 7.

21、372MHZ 和 10MHZ等多种规格。g测温晶体振荡器常用的晶体标称频率有 1MHZ、 2MHZ、2.5MHZ、 3MHZ、5MHZ、10MHZ等几种规格。h恒温晶体振荡器中常用的晶体标称频率有 :1MHZ、5MHZ、10MHZ、20MHZ、25MHZ、50MHz等多种规格。三.石英晶体谐振器在线路中的具体应用3.1石英晶体谐振器特性石英晶片所以能作为振荡元件， 是由于在一定条件下会产生压电效应： 若极板间加上交变电 压，晶片就会产生机械振动， 同时这种机械振动又会产生交变电场。 当外加交变电压的频率 与晶片的固有频率相等时，晶片产生的振动和电场强度最大， 其称为压电谐振。因此， 石英 晶体

22、又称为石英晶体谐振器，其压电谐振类似于 LC 回路的谐振，其电路符号、等效电路及 电抗特性如图 1 所示。上图中， C0 表示晶片与涂敷银层构成的静电容，约几几十 pF。L 是晶体振荡时机械振动惯性的等效电感，约 10-3102H。C 是晶体谐振时晶片弹性的等效电容，约 10-210-1pF。R用于等效晶片振动时的磨擦损耗，约 100 。因此，回路 Q 值很高，常超过 104。当忽略损耗等效电阻 R 时，等效电路的总电抗为其电抗特性如图 7-4-2(c) 所示。由上式和图 (c)可知：当 L、C、R 支路发生串联谐振时，等效阻抗最小。 X0，可解得回路串联谐振频率为这是石英晶体真正的谐振频率，

23、其频率稳定度最高。 当频率高于 fs时，L、C、R 支路呈现为电感性，它与电容发生并联谐振时，等效阻抗最 大， X，(7-4-1)式中分母为零，可解得回路的并联谐振频率为由于 CC0，故 fp与 fs非常接近。总结：石英晶体当 f = f s时，发生串联谐振，相当于阻值很小的纯阻元件；当 f = fp时，发生并联谐振，相当于阻值趋于无穷大的纯阻元件；当 fs f fp时，相当于高 Q 值的电感元件；当 f f p时，相当于高 Q 值的电容元件。3.2. 石英晶体振荡器的基本振荡形式3.2.1.串联型晶体振荡电路利用晶体工作在 fs 时产生串联谐振的阻抗特性来构成振荡电路，如图 3 所示，其中

24、Cs为晶 体的负载电容。根据晶体的等效电路，并考虑 CC0 =Cs，可得晶体新的串联谐振频率为在图 2 所示振荡电路中，当振荡频率等于晶体的串联谐振频率 ( 指 fs，下同 ) 时，晶体呈阻值很小的纯电阻，应用瞬时极性法可判定电路满足振荡的相位平衡条件，此时的正反馈最强， 易满足振幅的起振条件，电路将振荡在这晶体的串联谐振频率上图 3 5MHz 串联型晶体振荡电路 (a) 原理电路； (b) 交流通路图 3 所示是振荡频率为 5MHz 的串联型晶体振荡电路。由图 (b) 所示交流通路看出，该电路 类似于电容三点式振荡电路，区别仅在于反馈信号经晶体所在的支路返送到 T 的射极。仅 当 L 与 C

25、1C3 构成的 LC 并联回路调谐于晶体经校正的串联谐振频率上时，电路才满足振 荡条件，因此电路振荡在晶体所决定的串联谐振频率上。3.2.2 并联型晶体振荡电路Cs作为电图 4 为石英晶体与分立元件构成的并联型晶体振荡电路。其中晶体及其负载电容(Pierce)振荡电路。感元件，与 C1、C2 构成类似于电容三点式晶体振荡电路，亦称为皮尔斯 设 C= C1C2/(C1+C2)，而 Cs= CCs/(C+Cs)，则可得到电路的荡频率 f0 为高。通常， Cs为几十 pF,而 C1和 C2 取数百 pF。因此，调节 Cs可使振荡频率 f0 在晶体的串联谐 振频率 fs和并联谐振频率 fp 之间，即晶

26、体呈现为高图4 并联型晶体振荡电路 (a)原理电路； (b)交流通路图 5 为集成运放构成的电容三点式并联型晶体振荡电路。其电路原理与上图所示电路相同。 一般取 CsC1、C2，而振荡频率 f0为 fsf0fp，晶体等效为高 Q值电感元件。图6 集成运放并联型晶体振荡电路3.3 石英晶体谐振器应用案例3.3.13.579545MHz电路形式ICIC型号频点规格Ts 值 (ppm/pF)49USM3.579545/16pF53.579545/8pF2049U3.579545/15pF153.579545/8pF40C41C413.3.227MHz电路形式10R142/100KR116827Mhz3.3.310MHz电路形式U110MHz