石英晶体振荡电路石英谐振器

石英晶体振荡电路设计摘要：不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。

这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。

本应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

不同的制造商提供各种形状与大小的石英晶体，其性能指标也各不一样。

这些指标包括谐振频率、谐振模式、负载电容、串联阻抗、管壳电容以及驱动电平。

本篇应用笔记帮助读者理解这些指标参数，并允许用户根据应用选择合适的晶体以及在MAX1470超外差接收机电路应用中获得最佳效果。

晶体的等效电路见图1。

图中包括了动态元件：电阻Rs、电感Lm、电容Cm和并联电容Co。

这些动态元件决定了晶体的串联谐振频率和谐振器的Q值。

并联电容Co是晶体电极、管壳和引腿作用的结果。

图1. 晶体模型以下详细给出主要的性能指标。

谐振频率晶体频率可以根据接收频率指定。

由于MAX1470使用低端注入的中频，晶体频率可由下式给出(单位为MHz)：对于315MHz应用，晶体的频率可为，而在应用时需要晶体。

仅基频模式的晶体需要指定(无需泛音)。

谐振模式晶体具有两种谐振模式：串联(两个频率中的低频率)和并联(反谐振，两个频率中的高频率)。

所有在振荡电路中呈现纯阻性时的晶体都表现出两种谐振模式。

在串联谐振模式中，动态电容的容抗Cm、感抗Lm相等且极性相反，阻抗最小。

在反谐振点。

阻抗却是最大的，电流是最小的。

在振荡器应用中不使用反谐振点。

通过添加外部元件(通常是电容)，石英晶体可振荡在串联与反谐振频率之间的任何频率上。

在晶体工业中，这就是并联频率或者并联模式。

这个频率高于串联谐振频率低于晶体真正的并联谐振频率(反谐振点)。

图2给出了典型的晶体阻抗与频率关系的特性图。

图2. 晶体阻抗相对频率负载电容和可牵引性在使用并联谐振模式时负载电容是晶体一个重要的指标。

在该模式当中，晶体的总电抗呈现感性，与振荡器的负载电容并联，形成了LC谐振回路，决定了振荡器的频率。

晶体Crystal振荡电路原理、分类及设计目录1.文档简介 (3)2.晶体振荡电路的工作原理 (3)2.1石英晶体特性 (3)2.2并联型晶体振荡电路 (4)2.3串联型晶体振荡电路 (6)3.时钟的重要参数 (6)4.晶体振荡器种类 (11)4.1普通晶体振荡器 (11)4.2温度补偿晶体振荡器 (12)4.3恒温晶体振荡器 (14)5.CRYSTAL（晶体）电路设计 (14)5.1晶体电路设计器件说明及选择 (15)5.2PCB布局设计 (16)6.晶体常见问题举例 (16)6.1不起振问题分析与解决 (16)6.2频偏过大 (17)7.总结 (17)附录一相关公式推导一 (18)附录二相关公式推导二 (20)1.文档简介本文主要介绍了晶体振荡电路的工作原理，时钟的重要参数，晶体振荡器的种类，晶体电路设计及晶体常见问题的举例。

2.晶体振荡电路的工作原理晶体（石英晶体）振荡电路主要由主振电路和石英谐振器组成，主振电路将直流能量转换成交流能量，振荡器频率主要取决于石英晶体谐振器。

振荡电路一般采用反馈型电路，按晶体在振荡电路中的作用，又可以分为串联型晶体振荡电路和并联型晶体振荡电路。

本章首先介绍石英晶体的特性，然后分别介绍并联型晶体振荡电路和串联型晶体振荡电路的结构及工作原理。

2.1石英晶体特性晶体（石英晶体）之所以能作为振荡器产生时钟，是基于它的压电效应：所谓的压电效应是指电和力的相互转化，即，如果在晶体的两端施加压缩或拉伸的力，晶体的两端会产生电压信号；同样的，在晶体的两端施加电压信号，晶体会产生形变。

而且这种转化在某特定的频率上效率最高，此频率（由晶片的尺寸和形状决定）即为晶体的谐振频率。

实际应用的晶片是由石英晶体按一定的方向切割而成的，晶片的形状可以各种各样，如方形、矩形或圆形等。

由于晶体的物理性质存在各向差异性，相同的晶体按不同晶格方向切下的晶片，会产生不同的物理特性。

因此，晶体的切割方法是非常重要的，对石英晶体来说，有AT/BT/DT/GT/IT/RT/FC/SC等不同的切法，要根据具体的需求选择相应的切法切割晶片，其中最常用的有AT切和SC切。

石英晶体谐振器一、术语解释1、标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。

2、工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。

在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。

9、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。

用R1表示。

10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。

用RL表示。

RL＝R1（1+C0/CL）211、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。

激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等12、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。

13、泛音：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。

二、应用指南石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S•SMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。

HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。

振荡器(Crystal Oscillator)与谐振器(Resonator)两者区别：振荡器是有源元件，将直流信号转换为交流信号，其等效电路是一个电容与一个电阻并联，再与一个电容串联，该电路有两个谐振点。

谐振器是无源元件，需要外围电路，驱动，其原理是压电效应。

相比较之下，振荡器输出信号质量好，但是信号电平单一，且价格高，用于高精度要求的场合。

元件化的振荡器有晶体振荡器和硅振荡器等；谐振器有晶体谐振器与陶瓷谐振器。

以下为摘录。

晶体谐振器石英晶体俗称水晶，成分SIO2，是重要的压电材料，其主要特征是其原子或分子有规律排列，反映在宏观上是外形的对称性。

在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率，利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。

石英由于具备天然的高品质因子“Q”，这使得晶体能在整个工作温度和电压范围内都保持很高的精确度和频率稳定性。

优点：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片子，而且价格通常也较低。

晶体谐振器的精度为1PPM(百万分之一)至100PPM。

缺点：晶体谐振器是有2个引脚的无极性元件，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。

晶体谐振器相对于晶体振荡器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。

晶体谐振器有一些等效参数，不同的使用环境可能会有不同的要求，选用时还要考虑环境温度、负载电容、频率精度等要求，这就要求外围振荡电路的参数要加一些控制才能输出稳定的频率。

陶瓷谐振器陶瓷谐振器是一种用于在特定频率产生振荡的压电式陶瓷设备。

制造这种设备所用的材料在生产过程期间会激发谐振特性。

由于这种谐振特性是处于生产误差范围内的，并且它的品质因数远远低于石英的品质因数，因此陶瓷谐振器所能提供的频率稳定性不如晶体谐振器。

石英晶体谐振器和石英晶体振荡器石英晶体谐振器一、术语解释1、标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。

2、工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。

在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。

9、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。

用R1表示。

10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。

用RL表示。

RL＝R1（1+C0/CL）211、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。

激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等12、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。

13、泛音：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。

二、应用指南石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、HC-49U/S?SMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。

石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。

实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。

这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。

(见图1)石英晶体作为谐振器在使用时，要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定。

温频特性与切割角有关，每个石英晶体具有结晶轴，晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的。

典型的晶体切割和温频特性。

(见图2)AT型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示(见图3)。

一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割，以达到要求的工作温度范围。

当然，实际上，即使在成功的操作中，也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布，由此，操作的精确度需要提高。

在图4中可以看到频率公差和生产难度等级的关系。

所有石英谐振器均有寄生（在主频率之外的不期望出现的）振荡响应。

他们在等效电路图中表现为附加的以R1、L1、C1形成的响应回路。

寄生响应的阻抗R NW与主谐振波的阻抗Rr的比例通常以衰减常数dB来表示,并被定义为寄生衰减a NW=-20 · lg对于振荡用晶体,3至6dB是完全足够的.对于滤波用晶体,通常的要求是超过40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到.可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时,应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系.在AT切型中,对于平面晶片,"不和谐的响应"只存在于主响应的+40至+150KHZ之间,对于平凸或双面凸的晶片,寄生则在+200至+400KHZ之间.在以上的测量方法中,寄生响应衰减至20至30dB时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0的补偿是必需的.石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12q R1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV.由于L1和C1电抗性的功率振荡,存在Q c=Q x P c. 若P c=1mV, Q=100.000, Q c则相当于100W. 由于低的Pc功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV进行.一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好.上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试DLD是用1~10mV测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC草案248覆盖了根4结构特性解剖日本生产的这种石英谐振器可见，外壳为干净、无凹隐、无污渍的HC－49/U型锌铂铜外壳，印字清晰完整。

石英晶体振荡器
石英晶体是一种谐振器件(利用了SiO2结晶体的压电效应原理)。

静电电容(平行板电容)约几～几十皮法；模拟晶体机械振动惯性～H；模拟机械振动摩擦损耗，很小；晶体弹性电容～pF。

因L大，C、R小，则很大，又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。

在略去R下，其两端看进去的等效电抗为：。

当电抗为，回路产生串联谐振，。

当时，LCR支路呈感性，与Co构成并联谐振，谐振频率为：
其频率特性如图所示：
石英晶体振荡器的电路主要有两种结构：
① 并联式石英晶体正弦振荡器
它是将振荡频率设计在和之间，使晶体呈感性，它和两只电容构成电容三点式正弦振荡。

它将原电容三点式中的电感用晶体代替罢了，所以有振荡频率为：，其中。

② 串联式石英晶体正弦振荡器
这时把振荡频率设计在，此时，晶体电抗为0，晶体接在正反馈支路，而且是正反馈最强。

1。