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晶振基础知识

晶振基础知识

晶振基础知识（第一版）

摘要：

本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。

一、振荡电路的定义，构成和工作原理

1.振荡器：

不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。

2.振荡器构成：

谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。

3.谐振器的种类有：

RC谐振器，LC并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS（硅）振荡器。

本文只讨论石英晶体谐振器。

石英谐振器的结构

石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。

它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。

其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。

由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。

Base

Mounting

clips

Bonding

area

Electrodes

Quartz

blank

Cover

Seal

Pins

Topviewofcover

Metallic

electrodes

Resonator

platesubstrate

（the“blank”）

普通晶振内部结构

石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC及外围电路、陶瓷基板（DIPOSC）、上盖组成。

胶点

基座

晶片

Bonding线

IC

普通晶体振荡器原理图

4.振荡电路的振荡条件：

（1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。

根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。

（2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。

根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。

　（3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。

　（4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。

　（5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。

　（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。

5.振荡器电路分类

振荡器

正弦波（谐波振荡器）

正反馈

LC振荡器

单管互感耦合LC振荡器

差分对管LC振荡器

三点式振荡器

考毕兹振荡器

哈特莱振荡器

改进三点式振荡器

克拉泼振荡器

西勒振荡器

晶体振荡器

串联型

布特勒

并联型

皮尔斯振荡器

密勒振荡器

RC振荡器

移相式

导前型

滞后型

RC串并联网络（文氏桥型）

负阻式

非正弦波

自激振荡器

多谐振荡器（矩形波）

弛张振荡器

对称式多谐振荡器

正反馈

非对称式多谐振荡器

正反馈

环形振荡器

延迟负反馈

施密特多谐振荡器

延迟负反馈

石英晶体多谐振荡器

正反馈

压控振荡器

施密特触发器型

电容交叉充、放电型

定时器型

晶体压控振荡器

他激振荡器（脉冲整形）

比较器

门限比较器

迟滞比较器（施密特触发器）

单稳态触发器

反馈型振荡器的原理框图如图5.1所示。

由图可见,反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络（如振荡回路）作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

6.反馈式振荡器工作原理：

6.1起振条件：

振幅：

A·F>1（Uf>Ui）相位：

φΣ=φΣ+φΣ+φΣ=2nπ,

6.2平衡条件:

振幅：

A·F=1（Uf=Ui）,相位：

φΣ=φΣ+φΣ+φΣ=2nπ

6.3稳定条件:

幅度：

   （A为平衡点）；相位：

根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络、反馈网络。

选频网络不同可以有LC并联谐振回路、RC选频网络、晶体滤波器等。

7.LC正弦振荡器

凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。

7.1单管互感耦合LC振荡器

1）电路

2）     工作原理

3）     结论

i）是否可能振荡，取决于变压器正确的同名端标向

ii）是否能起振，取决于变压器是否有足够的耦合量

，

iii）正反馈系数

7.2差分对管互感耦合LC振荡器

1）电路

 2）     工作原理

 3）     电路特点

i）LC回路与负载R2分开，彼此隔离，R2不会影响LC回路Q值， 所以振幅、频率稳定

ii）差分对管基极均为零电位，故输出波形好，失真小

7.3三点式振荡器

1、定义：

用LC并联谐振回路作为选频和移相网络的振荡器

LC回路有三个抽头，分别与晶体管三个电极相连

2、构成原则:

从相位平衡条件判断下图（a）三端式振荡器能否振荡的原则为：

（1）X1和X2的电抗性质相同；

（2）X3与X1、X2的电抗性质相反。

即“射同余异”，对于场效应管，为“源同余异”，

集成运放三点式与同相端相连为同性抗，不与同相端相连为异性抗

因此三端式振荡器有两种基本电路：

（b）电容反馈振荡器，也称为考必兹（Colpitts）振荡器

（c）电感反馈振荡器，也称哈特莱（Hartley）振荡器。

电容反馈振荡器与电感反馈振荡器的比较：

（a）两种线路都简单，容易起振。

（b）电容反馈振荡器的工作频率可以较高。

（c）电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。

（d）改变电容能够调整振荡器的工作频率。

对于电容三点式振荡器：

当温度变化引起C1、C2变化时，将导致振荡器频率漂移。

因此该电路频率稳定度会受影响。

7.4改进式三点式振荡器

（a）克拉泼振荡电路：

在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C3而构成的，该电路称为串联型电容三点式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。

改进后，C1和C2的变化就难以影响到振荡器的振荡频率。

因此克拉泼振荡器的频率稳定度好。

（b）西勒电路：

电路主要特点,就是电感支路上串进了一个小电容C3,同时电感L并联一可变电容C4，

8.晶体振荡器

石英晶体振荡器的结构和基本工作原理

（a）.石英晶体振荡器：

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，再加上驱动电路构成的振荡器。

（b）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（SPXO），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）。

（c）石英晶体谐振器等效电路：

C0：

静态电容C1：

动态电容L1：

动态电感R1：

谐振电阻

CL:

负载电容

从石英晶体谐振器的等效电路导出石英晶体的总电抗（忽略R1）：

分子为零和分母为零时，它分别有两个谐振频率，即

（1）当L1、C1、R1支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R1）。

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，

fs（串联谐振频率）：

由L1C1串联谐振晶体本身的谐振频率。

（2）当频率高于fs时L1、C1、R1支路呈感性，可与电容C0。

发生并联谐振，其并联频率用fp表示。

fp（并联谐振（负载）频率）：

在规定条件下，晶体与一个负载电容相串联或相并联，由L1、C1、Co并联谐振其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。

由于C0远远大于C1。

所以：

下图为石英晶体谐振器电抗-频率特性曲线

当频率在fs和fp之间，石英晶体呈感性;在其他频率下，石英晶体呈容性。

石英晶体谐振器就是利用fs与fp之间的等效电感与其负载电容来确定振荡频率的。

fs与fp之间的范围很窄，对于工作频率为几兆赫的石英晶体谐振器来说，它只有几十到几百赫。

通常石英晶体所给的标称频率fN既不是fs也不是fp而是外接负载电容CL后校正的振荡频率。

由于石英晶体的品质因数Q可以如下式来计算：

因此石英晶体的品质因数Q很大，可以达到105～108，因而石英晶体的频率选择性很好，从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高。

根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两大类:

并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。

8.1串联型晶体振荡器：

又被称为布特勒振荡器。

是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率fs上起振。

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振。

8.2并联型晶体振荡器

（a）皮尔斯振荡器

石英晶体等效电容三点式（考必兹）中的电感。

从相位平衡条件出发来分析，这个电路的振荡频率必然在石英晶体的串联谐振频率fs与并联谐振频率fp之间。

该电路有以下特点：

（1）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。

（2）振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。

（3）由于振荡频率f0一般调谐在标称频率fN上，位于晶振的感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。

（4）由于晶振的Q值和特性阻抗r都很高，所以晶振的谐振电阻也很高，一般可达1010W以上。

这样即使外电路接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗 仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。

（b）密勒振荡器

石英晶体等效电感三点式（哈特莱）中的一个电感

9.RC振荡电路：

RC振荡器是利用电阻、电容网络作为选频网络或反馈网络的振荡器。

可分为RC移相振荡器、RC选频振荡器。

非正弦振荡器

以上讨论的均为正弦波振荡器,通常除了正弦输出，还会有CMOS输出，TTL输出，ECL输出的需求。

这些时候通常需要振荡器输出是一个方波或矩形波。

非正弦波（方波）输出通常可以分为两大类：

自激振荡器和他激振荡器。

自激振荡器不需要外加输入信号，只要接通供电电源，就自动产生矩形脉冲信号。

而他激振荡器需要输入其他形状的周期信号（正弦波），通过脉冲整形电路，将其他周期性信号变换为要求的矩形脉冲信号。

自激振荡器电路：

10.多谐振荡器（矩形波）

是一种矩形波产生电路.这种电路不需要外加触发信号,便能连续地,周期性地自行产生矩形脉冲.该脉冲是由基波和多次谐波构成,因此称为多谐振荡器电路.

10.1弛张振荡器（无选频网络）

（a）对称式多谐振荡器

（b）非对称式多谐振荡器

（c）环形振荡器

（d）施密特多谐振荡器

10.2石英晶体多谐振荡器

电阻R1、R2的作用是保证两个反相器在静态时都能工作在线性放大区。

对TTL反相器，常取R1＝R2＝R＝0.7kΩ～2kΩ，而对于CMOS门，则常取R1＝R2＝R＝10kΩ～100kΩ；C1＝C2＝C是耦合电容，它们的容抗在石英晶体谐振频率f0时可以忽略不计；石英晶体构成选频环节。

振荡频率等于石英晶体的串联谐振频率f0

11压控振荡器

11.1施密特触发器型压控振荡器

11.2电容交叉充、放电型压控振荡器

11.3定时器型压控振荡器

11.4晶体压控振荡器

晶体压控振荡器是通过调节（控制脚）电压，使振荡器输出频率变化的振荡器，主要是通过变容二极管（Vd）的电容的变化，使晶体谐振器的振荡频率发生变化。

变容二极管是一种随电压变化，容量有一定变化的二极管。

变容二极管有正变容二极管（电压变高，容量变高），和负变容二极管（电压变高，容量变低）。

目前HOSONIC公司DIPVCXO、SMDVCXO均为负变容二极管。

他激振荡器电路（脉冲整形）：

12.比较器整形电路

12.1门限比较器

12.2迟滞比较器（施密特触发器）

13.单稳态触发器整形电路

二.晶体振荡器分类：

国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：

普通晶体振荡器（SPXO），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）。

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±0.1～±2.5ppm，封装尺寸如DIP14，DIP8等，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槽中，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。

VCXO原理与结构

OCXO晶振内部结构

绝大多数高稳定度晶体振荡器都采用了将晶体恒温的方法。

使用了精密的恒温控制槽，将槽内温度调节到晶体谐振器的温度频率曲线的拐点上。

这样，能最大限度地克服温度对晶体振荡器频率的影响。

在所有的晶体振荡器中，恒温晶体振荡器的稳定度最好，老化率最小，被广泛用作标准频率源。

恒温方式既可以由单层恒温，也可以由双层恒温。

下图是恒温晶体振荡器的基本组成方框图。

三、石英晶体谐振器主要参数指标

1.标称频率：

晶体技术条件中规定的频率，标识在产品外壳上。

2.调整频差：

在规定条件下，基准温度（25±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。

常见的有±30PPM和±50PPM。

3.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（25±2℃）时工作频率的允许偏差。

常见的有±30PPM和±50PPM。

温频特性与石英的切割角有关。

4.工作温度范围：

晶体谐振器正常工作的温度范围，若无特殊要求，通常为商业级，即温度范围0~70℃。

5.串联谐振电阻：

石英谐振器在谐振频率时的等效电阻。

6.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。

负载电容系列是：

8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

只要可能就应选推荐值：

10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

7.切型/振动模式：

晶体谐振器根据切角的不同，可以分为AT切、SC切、BT切等多种类型。

现在获得广泛应用的是AT和SC切谐振器。

振动模式通常分为基频和泛音模式。

基频是在振动模式最低阶次的振动频率。

泛音是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。

8.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。

9.激励电平：

晶体工作时所消耗功率的表征值。

一般不超过1mW。

激励电平可选值有：

2mW、1mW、0.5mW、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等

PWR（激励功率）：

晶体工作时所消耗的有效功率。

晶体的DLD特性是指在不同的激励功率测量时，ESR或/和频率的变化。

理想晶体的DLD特性应表现如下：

在一个最高到设计功率的很宽广的激励功率范围中（几十点激励功率）ESR和频率几乎没有变化。

异常和理想晶体的DLD特性

DLD2：

电阻激励功率相关性（RRMAX—RRMIN）。

单位：

欧姆Ω

FDLD：

频率激励功率相关性（FLMAX——FLMIN）

四、石英晶体振荡器主要参数指标

1.标称频率（nominalfrequency）：

晶体振荡器应输出频率的标称值F0。

频率测量两种方法：

方法1测量精度小于等于10-8。

方法2测量精度大于10-8

2.工作电压：

VDD晶体振荡器正常工作需要提供的电压。

目前大量使用的是5V和3.3V供电的晶振产品。

3.工作电流：

IDD

4.工作温度范围：

T0能够保证晶体振荡器输出频率及其它各种特性能满足指标要求的温度范围，可以分为商业级（0~70℃）、工业级（-40~85℃）和军品级（-55~125℃）

5.频率准确度：

通常是指常温（25度）下，所测晶振频率相对标称频率的差值。

频差（频率精度）是晶体在规定工作条件下的实际频率值与标准值或基准值间频率差的相对值。

一般用ppm（10-6）表示。

主要有调整频差和温度频差。

调整频差（FrequencyTolerance）：

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。

温度频差（Temperaturetolerance）：

是指在整个工作温度范围内频率偏离基准温度下的频率的最大相对值。

总频差（总频率精度）：

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频差。

总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。

6.频率稳定度（FrequencyStability）：

晶振由于各种因素而引起的输出频率随时间的漂移，通常用其最大变化的相对值来表示。

常见的有±30PPM和±50PPM。

任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。

一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图3。

图中表现出频率不稳定的三种因素：

老化、飘移和短稳。

        图3晶振输出频率随时间变化的示意图

        曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳

        曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移

        曲线4是用1天一次测量的情况。

表现了晶振的老化

a.老化

    即长期稳定度，频率的单向变化。

观察的时间为日、月、年、10年，。

b.漂移

    频率作缓慢的来回变化，其平均频率偏移为零。

引起漂移的主要原因是温度的变化。

    各种形式的晶振的温度稳定度列于下表（一般数据,非特殊要求）。

形式

一般晶振

温补晶振

数字温补晶振

恒温晶振

温度范围（℃）

-30~+80

-20~+80

-20~+80

0~+50

温度稳定度

N×10-5

n×10-6~n×10-7

n×10-7~n×10-8

n×10-7~n×10-10

   要求较高的时钟，一般都采用恒温晶振。

而且对于在室内接近恒温的条件下工作（温度变化约5℃左右），这个指标可以适当放宽。

c.短稳

短期稳定度，观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

晶振的输出频率受到内部电路如晶体Q值、元器件噪音、电路稳定性、工作状态等因素影响而产生频谱很宽的不稳定。

测量一连串的频率值后，用阿伦方程计算。

相位噪音也同样可以反映短稳的情况。

    频率稳定度还包括开机特性、重现性、负载稳定度、电源稳定度。

但时钟一般都在长期连续、固定的负载、稳压的电源情况下工作，这些指标也可以放宽要求。

6.1频率温度稳定度（Frequency/temperaturecharacteristics）：

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。

6.2频率老化率（frequencyageing长期稳定度long-termfrequencystability）：

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电路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。

晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留气体、结构工艺缺陷等问题。

应力要经过一段时间的变化才能稳定，一种叫“应力补偿”的晶体切割方法（SC切割法）使晶体有较好的特性。

6.3日老化率（Aging/day）：

振荡器频率一天内频率漂移的数量。

6.4年老化率（Aging/year）：

振荡器频率一年内频率漂移的数量。

6.5短期稳定度（short-termfrequencystability）：

振荡器频率在短时间内发生的随机波动。

常用阿伦方差（Allanvariance）度量，是用时域法描述振荡器短期稳定度的标准方法。

相位噪声也同样可以反映短稳的情况（要有专用仪器测量）。

6.6日波动：

指晶振的输出频率在24小时内的变化情况。

通常用其最大变化的相对值来表示。

6.7开机特性：

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。

这指标对经常开关的仪器如频率计等很有用。

说明：

在多数应用中，晶体振荡器是长期加电的，然而在某些应用中晶体振荡器需要频繁的开机和关机，这时频率稳定预热时间指标需要被考虑到（尤其是对于在苛刻环境中使用的军用通讯电台，当要求频率温度稳定度≤±0.3ppm（-45℃～85℃），采用OCXO作为本振，频率稳定预热时间将不少于5分钟，而采用MCXO只需要十几秒钟）。

6.8频率电压特性：

在其他条件均保持不变情况下，由于电源电压在规定范围内变化，振荡器频率与规定标称电源电压下的频率的最大允许频偏。

（以标称电源电压输出频率为基准的频率一电压允许偏差不应超过规定极限值。

）

6.9频率负载特性：

在其他条件保持不变情况下，由于负载阻抗在规定范围内变化，振荡器频率与规定标称负载阻抗下的频率的最大允许频偏。

（以标称负载下输出频率为基准的频率一负载允差不应超过规定极限值）

6.10相位噪声：

信号功率与噪声功率的比率（C/N）,是表征频率颤抖的技术指标。

一般来说雷达等设备会对相位噪声有特殊要求；单边带中每1Hz带宽的功率对载波功率的相位噪声比不应超过绘于双对数坐标图各规定垂直线段规定的值.

相位噪声应该按照下图所示进行测量：

6.11相位抖动：

抖动是一个时域概念。

抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。

两种常见的抖动定义：

1.峰峰值抖动，即正态曲线上最小测量值到最大测量值之间的差距。

在大多数电路中，该值会随测量样本数的增多而变大，理论上可达无穷大。

因此，这种测量意义不大。

2.RMS（均方根）抖动，即正态分布一阶标准偏差的值。

该值随样本数的增加变化不大，因而这种测量较有意义。

但这种测量只在纯高斯分布中才有效，如果分布中存在任何确定性抖动，那么利用整个抖动直方图上的一阶方差来估计抖动出现的可能性就是错误的。

3.多个随机抖动源可以用RMS方式相加。

但要得到总的抖动，需要利用峰峰值，以便将随机抖动与确定性抖动相加。

抖动的测量：

1）通过采用示波器进行时域的测量：

2）通过使用BER测试设备进行数据域的测量

3）.使用相噪测试仪或抖动漂移测试仪进行频域的测量。

7.波形指标：

7.1对称性（Symmetry占空比）：