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石英晶體振蕩器原理
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)固度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類(lèi)振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。
一、石英晶體振蕩器的基本原理
1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)
石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱(chēng)為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
2、壓電效應(yīng)
若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。
3、符號(hào)和等效電路
石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖2所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè)平板電容器稱(chēng)為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到幾十PF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L吹刃АＲ話鉒的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效，它的數(shù)值約為100Ω。由于晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得**，因此利用石英諧振器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)固度。
4、諧振頻率
從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng)L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗*小（等于R）。串聯(lián)揩振頻率用fs表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。
根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫(huà)出它的電抗—頻率特性曲線如圖2e所示。可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fs＜f＜fd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。
二、石英晶體振蕩器類(lèi)型特點(diǎn)
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素*的石英晶體振子（即諧振器和振蕩電路組成。晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能。電工委員會(huì)（IEC）將石英晶體振蕩器分為4類(lèi)：普通晶體振蕩（TCXO），電壓控制式晶體振蕩器（VCXO），溫度補(bǔ)償式晶體振蕩（TCXO），恒溫控制式晶體振蕩（OCXO）。目前發(fā)展中的還有數(shù)字補(bǔ)償式晶體損振蕩（DCXO）等。
普通晶體振蕩器（SPXO）可產(chǎn)生10^(-5)～10^(-4)量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1—100MHZ，頻率穩(wěn)固度是±100ppm。SPXO沒(méi)有采用任何溫度頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
電壓控制式晶體振蕩器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級(jí)，頻率范圍1~30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)固度是±50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸14×10×3mm。
溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器（TCXO）采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率精度達(dá)到10^(-7)～10^(-6)量級(jí)，頻率范圍1—60MHz，頻率穩(wěn)固度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無(wú)線通信設(shè)備等。
恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫度變化對(duì)頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至達(dá)到更高。頻率穩(wěn)固度在四種類(lèi)型振蕩器中*高。
三、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)
晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱(chēng)頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)固度等。不同的晶振標(biāo)稱(chēng)頻率不同，標(biāo)稱(chēng)頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱(chēng)頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對(duì)于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000 MHz以上，也有的沒(méi)有標(biāo)稱(chēng)頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個(gè)為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。所以，標(biāo)稱(chēng)頻率相同的晶振互換時(shí)還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會(huì)造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)固度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對(duì)于上等設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)固度。頻率精度從10^(-4)量級(jí)到10^(-10)量級(jí)不等。穩(wěn)固度從±1到±100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д瘢虿煌阅艿木д衿鋬r(jià)格不同，要求越高價(jià)格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。
四、石英晶體振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)
1、小型化、薄片化和片式化：為滿足為代表的便攜式產(chǎn)品輕、薄、短小的要求，石英晶體振蕩器的封裝由傳統(tǒng)的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉(zhuǎn)變。例如TCXO這類(lèi)器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經(jīng)上市。
2、高精度與高穩(wěn)固度，目前無(wú)補(bǔ)償式晶體振蕩器總精度也能達(dá)到±25ppm，VCXO的頻率穩(wěn)固度在10～7℃范圍內(nèi)一般可達(dá)±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內(nèi)頻率穩(wěn)固度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統(tǒng)中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振蕩器頻率顫抖的一個(gè)重要參數(shù)。目前OCXO主流產(chǎn)品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類(lèi)型的晶體振蕩器*高輸出頻率不超過(guò)200MHz。例如用于GSM等的UCV4系列壓控振蕩器，其頻率為650～1700 MHz，電源電壓2.2～3.3V，工作電流8～10mA。
4、低功能，快速啟動(dòng)，低電壓工作，低電平驅(qū)動(dòng)和低電流消耗已成為一個(gè)趨勢(shì)。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產(chǎn)品，電流損耗不超過(guò)2 mA。石英晶體振蕩器的快速啟動(dòng)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展。例如日本精工生產(chǎn)的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm規(guī)定值范圍條件下，頻率穩(wěn)固時(shí)間小于4ms。日本東京陶瓷公司生產(chǎn)的SMD TCXO，在振蕩啟動(dòng)4ms后則可達(dá)到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產(chǎn)品，在預(yù)熱5分鐘后，則能達(dá)到±0.01 ppm的穩(wěn)固度。
五、石英晶體振蕩器的應(yīng)用
1、石英鐘走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用為其*大優(yōu)點(diǎn)。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)固電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無(wú)法通過(guò)改變C1或C2的數(shù)值來(lái)調(diào)整走時(shí)精度。但此時(shí)我們?nèi)钥捎眉咏右恢浑娙軨有方法，來(lái)改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C，如圖4所示。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大，振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時(shí)系統(tǒng)的總電容減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。只要經(jīng)過(guò)耐心的反復(fù)試驗(yàn)，就可以調(diào)整走時(shí)精度。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
2、隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來(lái)彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩(wěn)固性和可靠性大為提高。面且晶振價(jià)格便宜，更換容易。
3、在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>