石英晶体振荡电路

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1、石英晶体振荡电路石英晶体谐振器 , 简称 石英晶体 , 具有非常稳定的固有频率。 对于振荡 频率的稳定性要求高的电路 , 应选用石英晶体作选频网络。一、石英晶体的特点将二氧化硅（SiO2）结晶体按一 定的方向切割成很薄的晶片 , 再将晶 片两个对应的表面抛光和涂敷银层 , 并作为两个极引出管脚 , 加以封装 , 就构成石英晶体谐振器。其结构示意 图和符号如右图所示。1. 压电效应和压电振荡在石英晶体两个管脚加交变电场时 , 它将会产有利于一定频率的机械变形 而这种机械振动又会产生交变电场 , 上述物理现象称为 压电效应 。 一般情况下 无论是机械振动的振幅 , 还是交变电场的振幅都非常小。 但

2、是 , 当交变电场的频 率为某一特定值时 , 振幅骤然增大 , 产生共振 , 称之为 压电振荡 。这一特定频率 就是石英晶体的固有频率 , 也称谐振频率 。2. 石英晶体的等效电路和振荡频率石英晶体的等效电路如下图（a）所示。当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容 C0, 称为 静态电容 ；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积 , 一般约 为几到几十皮法。 当晶片产生振动时 , 机械振动的惯性等效为电感 L, 其值为几 毫亨。晶片的弹性等效为电容C,其值仅为0.01到O.lpF,因此，CvvCo晶片 的磨擦损耗等效为电阻R其值约为100Q,理想情况下R=0o当等效电路中的 L、C、R支路产生串

3、联谐振时，该支路呈纯阻性，等效电阻为R谐振频率谐振 频率下整个网络的电抗等于 R并联G的容抗,因Rvfs时，L、C、R支路呈感性，将与C0产生并联谐振,石英晶 体又呈纯阻性,谐振频率由于CvvG,所以fp-fso当ffp时，电抗主要决定于C0,石英晶体又呈容性。因此，石英晶体电抗的频率特性如上图所示，只有在 fsf573C贝他石英 结构：六角形573 C a 石英结构：三角形12 、高压釜典型尺寸长为35米；直径：半米或半米以上；壁厚：1015cm温度：约350 C ；压 力：约 1400 大气压13、石英压电晶体作用：对电气通讯中的载波记号频率进行控制和管理。14、石英元件实现了压电振子的机

4、械谐振频率同电路之间的耦合。 （机电换能器）15、压电理论：石英的机械特性与电路是通过压效应来实现耦合的。 石英晶体元件在振荡器电路中的功能是划分出等时间间隔，（稳定振荡频率）。 一维振动： 只要起控制作用的那一维尺寸比其他维尺寸大得多或小得多， 那么振 动就能够被看成是近似一维的。活动性下降： 在压电振子的温度改变时， 偶尔会有一种模的频率与振荡器频率重 合，所产生的额外能耗减少了振荡 （活动性）的幅度。 这种现象称为活动性下降。 当频率远离谐振频率时，石英片等效于简单的平行板电容器。16、为了得到最大的稳定性，晶体元件应工作于最低振幅，即最低的激励电平。17、AT和BT切石英晶体元件的主模

5、频率取决于片子厚度，而大部分寄生模的频 率则取决于侧面尺寸。18、如果非活动带的宽度大于片子厚度 20 倍或 20倍以上，它也可以成为支撑片 的非活动区。19、减小石英片表面的曲率半径， 非谐波泛音模的频率就会向高处移动， 而且泛 音频谱也会变得更为疏散。20、修外形对参数的影响：修整的不多： 由于支架引起的阻尼损耗就会有所减少， 而且由于寄生模与主模分 开了，等效电阻值就会下降。继续修下去：R值又会升高，因为振动面积缩小了。L升高而C下降 r=cO/c，也会受影响。大而薄的 AF片子：r理论值为154，测量值总是大于 154，通过仔细调整与外形有关的电极区尺寸可以获得 r 值低达19O。21

6、、影响谐振器频率稳定性因素：a、使用的原材料不当b、石英晶片表面层加 工不良c、表层污染 d、蒸发的银膜层附着性差22、石英谐振器的失效模式：a、开路（支架脱落、脱锡）b、短路（外壳封装系统机械损伤）c、频率稳定性差（石英晶片表面清洁处理不良，银膜层附着不牢以及晶片表面加工不佳）23、石英谐振器可等效成一个 R、L、C组成的等效电路（在谐振频率附近），这 些等效参数与很多因素有关，其中电极面积大小即为因素之一。不连续银膜层使 石英晶片电极的有效面积减小，从而影响频率稳定性。24、石英晶片表面的缺陷：腐蚀时间、温度以及腐蚀液的浓度控制不严， 将使石英晶片腐蚀强度过大，造成 石英晶片表面粗糙度大，

7、裂纹多等缺陷。25、 银膜表面斑痕是制造工艺中使用的水纯度低所致，通过提高水的纯度，提高 了石英晶片的合格率。26、 石英晶片表面的粗糙度对银膜有很大影响，为了保证银膜层的连续性，一定 要严格控制腐蚀工艺。石英晶体是由水热法生长的一种功能材料，有优良的压电性能和光学性能，物理、化学性能稳定，具有左右旋结构特征，在0.154m的范围内，有较好的透过率。性能指标：品质因素： 2.4 X 106包裹体：I级,Ia级腐蚀隧道密度： 200/cm2密度：2.65g/cm3熔点：1713C莫氏硬度：7杨氏模量：97.2GPa（/Z）, 76.5Gpa（丄Z）应用范围：可用作棱镜、滤光片、偏振片、波片、旋光

8、片等，可制成各种体波和声表面波振荡器、谐振器和滤波器石英晶体谐振器基础知识石英晶体谐振器基础知识（1）石英晶体谐振器（简称晶振）的结构 石英晶体谐振器是利用石英晶体 (二氧化矽的结晶体) 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、陶瓷或塑胶封装的。(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。

9、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) 符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。 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

10、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來等效。一般L的值为几十mH到几百mH晶片的弹性可用电容 C來等效，C的值很小，一般只有 0.00020.1pF。晶片振 动时因摩擦而造成的损耗用 R來等效，它的數值约为100Q。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 數Q很大，可达100010000。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性。(4) 谐振频率从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即a、 当L、C、R支路发生串联谐振时，它

11、的等效阻抗最小(等于R)。串联谐振频率用 fs表示，石英晶体对于串联谐振频率 fs呈纯阻性。b、 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， 可定性画出它的频率特性曲线图所示。可见当频率低于串联 谐振频率fs或者频率咼于并联谐振频率fd时，石英晶体呈电容性。仅在f s fv f d 极窄的范围内，石英晶体呈电感性。To晶体符号等效电路频率特性曲线图石英晶体谐振器外形图片石英晶体谐振器的分类及特点石英晶体谐振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

12、决定谐振器的性能。 国际电工委员会（IEC）将石英晶体谐振器分为4类：普通晶体振荡（TCXO, 电压控制式晶体谐振器（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。(1)普通晶体谐振器(SPXO可产生10-510-4量级的频率精度，标准频率 100MHZ频率稳定度是土 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21X14X 6mm及 5X 3.2 x 1.5mm 电压控制式晶体谐振器(VCXO的精度是10-610-5量级，频率范围130MHz 低容差谐振器的频率稳定度是土 50ppm通常用于锁相环路。封装尺寸14x 10x 3mm。(3)温度补偿式晶体谐振器(TCXO采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率 精度达到10-710-6量级，频率范围1 60MHz频率稳定度为土 1土 2.5ppm, 封装尺寸从30x 30x 15mm至 11.4 x 9.6 x 3.9mm通常用于手持电话、蜂窝电话、 双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体谐振器(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