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1、石英晶体振荡器与外围电路关系一、三端式 LC 振荡器三端式 LC 振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几 MHz 到几百MHz 的范围， 频率稳定度也比变压器耦合振 荡电路高一些，约为 103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。三端式 LC 振荡电路以分为电感三端式和电容三端式电容三端式又分为串联型电容三端式和并联型电容三端式（也有叫三点式）。并联型电容三端式：电容反馈式振荡电路,如图 1a。振荡频率 (公式 1)(21120 CLf 反馈系数 (公式 2)210UFf集电极等效负载： (公式 3)2/FRiLCa b图 1在这个电路中若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，势必
2、要减小 C1 和 C2 的电容量和 L 的电感量。实际上不 C1 和 C2 的电容量减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将纳入 C1 和 C2 中，从而影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容 Ci 和输出电容 C。，如图 1b 中所标注。电路的优点: 1. 电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2. 电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3. 电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十 MHz,采用共基放大电路可做到几百 MHz 的甚高频波段范围。电路的缺点：
3、调 C1 或 C2 来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。改进型电容反馈式振荡电路，如图 2：图 2在电感支路串联一个小容量电容 C，而且 CC1，CC2，这样112总电容约为 C，因面电路的振荡频率为：(公式 4)LCf210二、石英晶体振荡器1 、石英晶体的压电特性 石英晶体所以能成为电谐振器，是利用了它所特有的正、反两种压电效应。所谓正压电效应，就 是当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电 荷，呈现出电压。负压电效应是指当在垂直于电轴的两面上加以交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。 2 、石英晶体的谐振特性： 因为
4、石英晶体和其它弹性体一样，具有弹性和惯性，因而存在着固有振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。3、石英晶体的阻抗频率特性并联型石英晶体振荡电路：石英晶振可以等效为一个串联谐振回路或一个并联谐振回路石英晶体的等效电路如下虚线部份：其频率特性如下：串联谐振频率: qsCLf21并联谐振频率: 000 1Cfff qsqsqqp oqqqcfLCoLs1221由于 CqCo 所以 fpfs , fs 越接近 fp 石英晶体呈感性的频带愈狭窄。4、其它特性： CLR1Q由于晶振的 Q 值和特性阻抗 R 都很高，所以晶振的谐振电
5、阻也很高，一般可达 1010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。5、反馈系数反馈系数 ,若增大 C1/C2,则一方面反馈系数数值随之增大，,环210CUFf路增益大,有利于电路起振；但是其值过大时，它又使 减小， ，从而造成LR电压放大倍数数值减小，振荡稳定性会变差，不利于电路起振。因此，C1/C2 既不能太大，又不能太小，具体数值应通过实验来确定。所以各个厂家在卖石英晶体时会给出一个匹配值。比值通常取 1.22.4。标频 f 越高,比值趋近 2.4;标频率 f 越低,比值趋近 1.2A178 谐振器测试记录次
6、序 晶振（M）C1（C36 in A178）(pF) Rext（R22）(K) C2(C37)(pF) 起振效果1 6 68 空 没接（空） 稍好2 6 68 10 空 较好3 6 68 10 10 较好4 6 68 10 33 较好5 6 68 10 47 较好6 6 68 10 68 较好7 6 33 10 47 (5:5)失败8 6 47 10 47 (5:5)失败9 6 47 10 空 较好10 6 33 10 47 (5:5)失败11 6 33 10 68 较好12 6 33 10 33 (10:10)失败13 6 33 10 22 (10:10)失败14 6 33 10 空 (10
7、:10)失败15 6 47 10 空 较好16 6 47 10 100 较好16 6 100 10 100 较好18 6 100 10 空 较好19 6 100 空 空 较好20 6 空 10 33 (5:5)失败21 6 空 10 68 (10:10)失败22 6 68 空 68 不稳定23 6 68 空 10 (5:5)失败注：稍好：指在 10 次测试中，超过 5 次能正常振荡；较好：测试中，每次都能正常振荡，试验次数不等（310 次） ，包括冷启动和热启动。不稳定：失败次多次数多，且要较长时间等待。三、补充资料1、 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
8、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。后者就是通常所指时钟振荡器(振荡器 )。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1) HC-49U2) HC-49U/S3) 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。振荡器：它需要外接电源
9、才能正常工作。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 SPXO （或 OSC，普通钟振） ，TCXO（温度补偿） ，VCXO（压控） ，OCXO（恒温）等等。1) 普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图 3 中去除“压控” 、 “温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的
10、场合。2) 恒温晶体振荡器(以下简称 OCXO) 这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH 传输设备、移动通信直放机、GPS 接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。OCXO 的工作原理如下图 3 所示： 图 3 恒温晶体振荡器原理框图OCXO 的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体
11、积大，需要 5 分钟左右的加热时间才能正常工作等。3) 补偿晶体振荡器(以下简称 TCXO)。 其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的 TCXO 是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大 TCXO 开始出现，这种数字化补偿的 TCXO 又叫 DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为 MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。其设计原理如图 4。 图 4 MCXO
12、 数字温补晶振原理框图4) 压控晶体振荡器(VCXO) 这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫 VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。四、基本术语。一些常用的谐振器术语：Frequency Tolerance（调整频差）：在规定条件下，在基准温度（252）与标称频率允许的偏差。一般用 PPm（百万分之）表示。Frequency Stability(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。Shunt Capacitance（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。Load Capacitance（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。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。
