有关晶振的知识详解.docx

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有关晶振的知识详解

晶振的工作原理是什么？

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石英晶体若在晶片的两侧施加机械压力，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，晶振就是根据压电效应研制而成。

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得多，这种现象称为压电谐振，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。

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目录

∙1、石英晶体振荡器的结构

∙2、压电效应

∙3、符号和等效电路

∙4、谐振频率

∙5、石英晶体振荡器类型特点

∙6、石英晶体振荡器的主要参数

∙7、石英晶体振荡器的发展趋势

∙8、石英晶体振荡器的应用

1、石英晶体振荡器的结构

编辑本段

　　石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，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（简称为晶片，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为电极，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体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。

2、压电效应

编辑本段

　　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压力，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得多，这种现象称为压电谐振，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。

3、符号和等效电路

编辑本段

　　石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。

当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。

当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。

一般L的值为几十mH到几百mH。

晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002~0.1pF。

晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。

由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000~10000。

加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

4、谐振频率

编辑本段

　　从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即

（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。

串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，

（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。

发生并联谐振，其并联频率用fd表示。

　　根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗-频率特性曲线如图2e所示。

可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。

仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。

5、石英晶体振荡器类型特点

编辑本段

　　石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。

晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。

国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：

普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。

目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。

　　普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^（-5）~10^（-4）量级的频率精度，标准频率1-100MHZ，频率稳定度是±100ppm。

SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。

封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

　　电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^（-6）~10^（-5）量级，频率范围1~30MHz。

低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。

通常用于锁相环路。

封装尺寸14×10×3mm。

　　温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^（-7）~10^（-6）量级，频率范围1-60MHz，频率稳定度为±1~±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。

通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。

　　恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。

OCXO频率精度是10^（-10）至10^（-8）量级，对某些特殊应用甚至达到更高。

频率稳定度在四种类型振荡器中最高。

6、石英晶体振荡器的主要参数

编辑本段

　　晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。

不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。

如常用普通晶振标称频率有：

48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz~40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。

负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。

负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。

标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。

因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：

另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。

所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。

频率精度和频率稳定度：

由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。

频率精度从10^（-4）量级到10^（-10）量级不等。

稳定度从±1到±100ppm不等。

这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。

因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。

在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。

7、石英晶体振荡器的发展趋势

编辑本段

　　1、小型化、薄片化和片式化：

为满足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覆塑料金属向陶瓷封装转变。

例如TCXO这类器件的体积缩小了30~100倍。

采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市。

　　2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10~7℃范围内一般可达±20~100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001~5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。

　　3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。

目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。

除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。

例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650~1700MHz，电源电压2.2~3.3V，工作电流8~10mA。

　　4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。

电源电压一般为3.3V。

目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2mA。

石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。

例如日本精工生产的VG-2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。

日本东京陶瓷公司生产的SMDTCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。

OAK公司的10~25MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01ppm的稳定度。

8、石英晶体振荡器的应用

编辑本段

　　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。

石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。

振荡系统的元件参数确定了振频率。

一般Q、C1及C2均为外接元件。

另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。

故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。

但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。

根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：

若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。

此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。

若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。

如图5所示。

此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。

只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。

因此，晶振可用于时钟信号发生器。

　　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

石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本结构大致是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，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为电极，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体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

　　石英晶体的压电效应：

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压力，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。

注意，这种效应是可逆的。

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得多，这种现象称为压电谐振，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。

　　晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。

由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。

这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。

　　晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。

　　一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，请注意一般IC的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。

　　一般的晶振的负载电容为15p或12.5p，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。

　　晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。

　　　　石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。

石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。

振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。

振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：

谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。

RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。

无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法：

1、无源晶体——无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。

无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。

无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。

建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。

2、有源晶振——有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。

有源晶振通常的用法：

一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。

相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。

对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。

有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。

有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。

几点注意事项：

1、需要倍频的DSP需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波；

2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件；

3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围；

4、通过背板从外部引入时钟信号时有特殊的设计要求，需要详细参考相关的资料。

此外还要做一些说明：

总体来说晶振的稳定度等方面好于晶体，尤其是精密测量等领域，绝大多数用的都是高档的晶振，这样就可以把各种补偿技术集成在一起，减少了设计的复杂性。

试想，如果采用晶体，然后自己设计波形整形、抗干扰、温度补偿，那样的话设计的复杂性将是什么样的呢？

我们这里设计射频电路等对时钟要求高的场合，就是采用高精度温补晶振的，工业级的要好几百元一个。

特殊领域的应用如果找不到合适的晶振，也就是说设计的复杂性超出了市场上成品晶振水平，就必须自己设计了，这种情况下就要选用晶体了，不过这些晶体肯定不是市场上的普通晶体，而是特殊的高端晶体，如红宝石晶体等等。

更高要求的领域情况更特殊，我们这里在高精度测试时采用的时钟甚至是原子钟、铷钟等设备提供的，通过专用的射频接插件连接，是个大型设备，相当笨重。

、晶振：

即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。

不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理

解了。

后者就是通常所指钟振。

2、分类。

首先说一下谐振器。

谐振器一般分为插件（Dip）和贴片（SMD）。

插件中又分为HC-49U、HC-49U/S、音叉型（圆柱）。

HC-49U一般称49U，有些采购俗称“高型”，而HC-49U/S一般称49S，俗称“矮型”。

音叉型按照体积分可分为3*8，2*6，1*5，1*4等等。

贴片型是按大小和脚位来分类。

例如7*5（0705）、6*3.5（0603），5*3.2（5032）等等。

脚位有4pin和2pin之分。

而振荡器也是可以分为插件和贴片。

插件的可以按大小和脚位来分。

例如所谓全尺寸的，又称长方形或者14pin，半尺寸的又称为正方形或者8pin。

不过要注意的是，这里的14pin和8pin都是指振荡器内部核心IC的脚位数，振荡器本身是4pin。

而从不同的应用层面来分，又可分为OSC（普通钟振），TCXO（温度补偿），VCXO（压控），OCXO（恒温）等等。

3、基本术语。

我想这也是很多采购同学比较模糊的地方。

这里我选了一些常用的谐振器术语拿来做一下解释。

FrequencyTolerance（调整频差）：

在规定条件下，在基准温度（25±2℃）与标称频率允许的偏差。

一般用PPm（百万分之）表示。

FrequencyStability（温度频差）：

指在规定的工作温度范围内，与标称频率允许的偏差。

用PPm表示。

Aging（年老化率）：

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。

ShuntCapacitance（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。

LoadCapacitance（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。

一般最关注的参数有2个，即调整频差，负载电容。

有一部分对温度频差有要求。

如果工作温度范围比较广，则会对工作温度范围有所要求，即所谓宽温。

4、选用。

主要讲讲谐振器。

理论上来说，只要参数确定，选任何一种型号都是可以正常使用的。

例如49U和49S替换，49S和圆柱以及和贴片替换，都是没有问题的。

但在实际选择中会根据电路特点，成本以及便利性来考量和选择。

一般来说，简单的应用中主要都是从成本在考虑。

但是有些产品或者电路会对晶振的等效电阻，激励功率等等提出要求，所以就会在不同的型号中加以选择。

另外，贴片则主要是为了适应产品日益小型化和提高生产效率的要求。

听到有些采购朋友说，只能选49S而不能用49U或者反之，这是一个小误区。

呵呵。

而钟振的选择则主要决定产品电路的特性的要求，一般来说钟振在精密性以及需要达到相关应用的要求会更好。

例如手机，通信机站，卫星等等

参考链接：

OscillationCircuitDesignOverview

OscillationCircuitDesignKeyParameters

   DRIVELEVEL（DL）,OSCILLATIONFREQUENCYANDLOADCAPACITANCE（CL）,

   OSCILLATIONALLOWANCE,FREQUENCY-TEMPERATURECURVE

DRIVELEVEL（DL）

Thedrivelevelofacrystalunitisshownbytheleveloftheoperatingpowerorthecurrentconsumption（seeFigures9,10,and11）.Operatingthecrystalunitatanexcessivepowerlevelwillresultinthedegradationofitscharacteristics,whichmaycausefrequencyinstabilityorphysicalfailureofthecrystalchip.Designyourcircuitwithinabsolutemaximumdrivelevel.

OSCILLATIONFREQUENCYANDLOADCAPACITANCE（CL）

Theloadcapacitance（CL）isaparameterfordeterminingthefrequencyoftheoscillationcircuit.TheCLisrepresentedbyaneffectiveequivalentcapacitancethatisloadedfromtheoscillationcircuittobothendsofthecrystalunit（seeFigure12）.

Theoscillationfrequencyvariesdependingupontheloadcapacitanceoftheoscillationcircuit.Inordertoobtainthedesirablefrequencyaccuracy,matchingbetweentheloadcapacitancesoftheoscillationcircuitandthecrystalunitisrequired.Fortheuseofthecrystalunit,matchtheloadcapacitancesoftheoscillationcircuitwiththeloadcapacitancesofthecrystalunit.

OSCILLATIONALLOWANCE

Toensurestableoscillation,thenegativeresistanceofthecircuitshouldbesignificantlylargerthantheequivalentseriesresistance（theoscillationallowanceislarge）.Ensurethattheoscillationallowanceisatleastfivetimesaslargeastheequivalentseriesresistance.

OscillationAllowanceEvaluationMethod

Addresistor"Rx"tothecrystalunitinseriesandensurethattheoscillationstartsorstops.Theapproximatenegativ