石英晶体振荡器原理说明

石英晶体振荡器原理说明

台灣大學電機系大學部電子實驗(三) – 石英晶體振盪器原理說明

發表於 2006年12月19日Rocky

石英晶體振盪器是高精度和高穩定度的振盪器，被廣泛應用於彩電、計算機、遙控器等各類振盪電路中，以及通信系統中用於頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。

一、石英晶體振盪器的基本原理

1、石英晶體振盪器的結構

石英晶體振盪器是利用石英晶體（二氧化矽的結晶體）的壓電效應製成的一種諧振器件，它的基本構成大致是︰從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑膠封裝的。下圖是一種金屬外殼封裝的石英晶體架構示意圖。

2、壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。

3、符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖2所示。當晶體不振動時，可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關，一般約幾個PF到幾十PF。當晶體振盪時，機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH 到幾百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數值約為100Ω。由於晶片的等效電感很大，而C很小，R也小，因此回路的品性因數Q很大，可達1000～10000。加上晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割模式、幾何形狀、尺寸有關，而且可以做得精確，因此利用石英諧振器組成的振盪電路可獲得很高的頻率穩定度。

4、諧振頻率

從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個諧振頻率，即（1）當L、C、R支路發生串聯諧振時，它的等效阻抗最小（等於R）。串聯揩振頻率用f s表示，石英晶體對於串聯揩振頻率f s呈純阻性，（2）當頻率高於f s時L、C、R支路呈感性，可與電容C。發生並聯諧振，其並聯頻率用f d表示。

根據石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗─頻率特性曲線如圖2e所示。可見當頻率低於串聯諧振頻率f s或者頻率高於並聯揩振頻率f d時，石英晶體呈容性。僅在f s〈f〈f d極窄的范圍內，石英晶體呈感性。

二、石英晶體振盪器類型特點

石英晶體振盪器是由品質因素極高的石英晶體振子（即諧振器和振盪電路組成。晶體的品性、切割取向、晶體振子的架構及電路形式

等，共同決定振盪器的性能。國際電工委員會（IEC）將石英晶體振盪器分為4類︰普通晶體振盪（TCXO），電壓控制式晶體振盪器（VCXO），溫度補償式晶體振盪（TCXO），恆溫控制式晶體振盪（OCXO）。目前發展中的還有數字補償式晶體損振盪（DCXO）等。

普通晶體振盪器（SPXO）可產生10^(-5)～10^(-4)量級的頻率精度，標準頻率1─100MHZ，頻率穩定度是±100ppm。SPXO沒有採用任何溫度頻率補償措施，價格低廉，通常用作微處理器的時鐘器件。封裝尺寸范圍從21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。

電壓控制式晶體振盪器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量級，頻率範圍1~30MHz。低容差振盪器的頻率穩定度是±50ppm。通常用於鎖相環路。封裝尺寸14×10×3mm。

溫度補償式晶體振盪器（TCXO）採用溫度敏感器件進行溫度頻率補償，頻率精度達到10^(-7)～10^(-6)量級，頻率範圍1─60MHz，頻率穩定度為±1～±2.5ppm，封裝尺寸從30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用於手持電話、蜂窩電話、雙向無線通信設備等。

恆溫控制式晶體振盪器（OCXO）將晶體和振盪電路置於恆溫箱中，以消除環境溫度變化對頻率的影響。OCXO頻率精度是10^(-10)至10^(-8)量級，對某些特殊應用甚至達到更高。頻率穩定度在四種類型振盪器中最高。

三、石英晶體振盪器的主要參數

晶振的主要參數有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有︰48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對於特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內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。負載頻率不同決定振盪器的振盪頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振盪器有兩個諧振頻率，一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振︰另一個為並聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩定度︰由於普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對於高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網路，無線數據傳輸等系統就需要更高要求的石英晶體振盪器。因此，晶振的參數決定了晶振的品性和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶

振，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。

四、石英晶體振盪器的發展趨勢

1、小型化、薄片化和片式化︰為滿足移動電話為代表的便攜式產品輕、薄、短小的要求，石英晶體振盪器的封裝由傳統的裸金屬外殼覆塑料金屬向陶瓷封裝轉變。例如TCXO這類器件的體積縮小了30～100倍。采用SMD封裝的TCXO濃度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已經上市。

2、高精度與高穩定度，目前無補償式晶體振盪器總精度也能達到±25ppm，VCXO的頻率穩定度在10～7℃范圍內一般可達±20～100ppm，而OCXO在同一溫度范圍內頻率穩定度一般為±0.0001～5ppm，VCXO控製在±25ppm以下。

3、低噪聲，高頻化，在GPS通信系統中是不允許頻率顫抖的，相位噪聲是表征振盪器頻率顫抖的一個重要參數。目前OCXO主流產品的相位噪聲性能有很大改善。除VCXO外，其它類型的晶體振盪器最高輸出頻率不超過200MHz。例如用於GSM等移動電話的UCV4系列壓控振盪器，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，低電壓工作，低電平驅動和低電流消耗已成為一個趨勢。電源電壓一般為3.3V。目前許多TCXO和VCXO產品，電流損耗不超過 2 mA。石英晶體振盪器的快速啟動技術也取得突破性進展。例如日本精工生產的VG─2320SC型VCXO，在±0.1ppm 規定值範圍條件下，頻率穩定時間小於4ms。日本東京陶瓷公司生產的SMD TCXO，在振盪啟動4ms后則可達到額定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO產品，在預熱5分鐘后，則能達到±0.01

ppm的穩定度。

五、石英晶體振盪器的應用

1、石英鐘走時準、耗電省、經久耐用為其最大優點。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盪器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振盪器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構成CMOS反相器石英晶體Q與振盪電容C1及微調電容C2構成振盪系統，這裡石英晶體相當於電感。振盪系統的元件參數確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為回饋電阻，R2為振盪的穩定電阻，它們都集成在電路內部。故無法透過改變C1或C2的數值來調整走時精度。

但此時我們仍可用加接一只電容C有方法，來改變振盪系統參數，以調整走時精度。根據電子鐘表走時的快慢，調整電容有兩種接法︰若走時偏快，則可在石英晶體兩端並接電容C，如圖4所示。此時系統總電容加大，振盪頻率變低，走時減慢。若走時偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。如圖5所示。此時系統的總電容減小，振盪頻率變高，走時增快。只要經過耐心的反覆試驗，就可以調整走時精度。因此，晶振可用於時鐘信號發生器。 2、隨著電視技術的發展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體

振盪器作為行、場電路的振盪源，經1/3的分頻得到 15625Hz的行頻，其穩定性和可靠性大為提高。面且晶振價格便宜，更換容易。

3、在通信系統產品中，石英晶體振盪器的價值得到了更廣泛的體現，

同時也得到了更快的發展。許多高性能的石英晶振主要應用於通信網路、無線數據傳輸、高速數字數據傳輸等。