基本介紹
- 中文名：石英晶振
- 材料：石英材料
- 類型：石英晶體諧振器
- 俗稱：晶振
石英晶體原理,引言,振盪模式,工作原理,溫度補償設備,電壓控制設備,恆溫控制設備,晶振術語,套用指南,模式與頻率,晶體電阻,溫度頻差,電容與頻牽,負載電容選擇,激勵電平,濾波電路套用,
石英晶體原理
引言
儘管石英晶體振盪器的套用已有幾十年的歷史，但因其具有頻率穩定度高這一特點，故在電子技術領域中一直占有重要的地位。尤其是信息技術（IT）產業的高速發展，更使這種晶體振盪器煥發出勃勃生機。石英晶體振盪器在遠程通信、衛星通信、行動電話系統、全球定位系統（GPS）、導航、遙控、航空航天、高速計算機、精密計測儀器及消費類民用電子產品中，作為標準頻率源或脈衝信號源，提供頻率基準，是其它類型的振盪器所不能替代的。小型化、片式化、低噪聲化、頻率高精度化與高穩定度及高頻化，是行動電話和天線尋呼機為代表的攜帶型產品對石英晶體振盪器提出的要求。事實上石英晶體振盪器在發展過程中，也面臨像頻率發生器這類電路的潛在威脅和挑戰。此類振盪器只有在技術上不斷創新，才能延長其壽命周期，在競爭中占有優勢。
振盪模式
石英晶體提供了兩種共振模式，由 C1 與 L1 構成的串聯共振，與由 C0、C1 與 L1 構成的並聯共振。
對於一般的 MHz 級石英晶體而言，串聯共振頻率一般會比並聯共振頻率低若干 KHz。 頻率在 30 MHz 以下的石英晶體，通常工作時的頻率處於串聯共振頻率與並聯共振頻率之間，此時石英晶體呈現電感性阻抗。因為，外部電路上的電容會把電路的振盪頻率拉低一些。在設計石英晶體振盪電路時，也應令電路上的雜散電容與外加電容合計値與晶體廠商使用的負載電容值相同，振盪頻率才會準確符合廠商的規格。
頻率在 30 MHz 以上（到 200 MHz）的石英晶體，通常工作於串聯共振模式，工作時的阻抗處於最低點，相當於 Rs 。 此種晶體通常標示串聯電阻（ < 100 Ω ）而非並聯負載電容。 為了達到高的振盪頻率，石英晶體會振盪在它的一個諧波頻率上，此諧波頻率是基頻的整數倍。 只使用奇數次諧波，例如 3 倍、 5 倍、與 7 倍的泛音晶體。 要達到所要的振盪頻率，振盪電路上會加入額外的電容器與電感器，以選擇出所需的頻率。
工作原理
石英晶體振盪器分非溫度補償式晶體振盪器、溫度補償晶體振盪器（TCXO）、電壓控制晶體振盪器（VCXO）、恆溫控制式晶體振盪器（OCXO）和數位化/μp補償式晶體振盪器（DCXO/MCXO）等幾種類型。其中，無溫度補償式晶體振盪器是最簡單的一種，在日本工業標準(JIS)中，稱其為標準封裝晶體振盪器（SPXO）。現以SPXO為例，簡要介紹一下石英晶體振盪器的結構與工作原理。
示意圖(a)石英晶體振子的結構
（b）金屬殼封裝示圖（c）等效電路
與金屬板之間的靜電電容；L、C為壓電諧振的等效參量；R為振動磨擦損耗的等效電阻。石英晶體諧振器存在一個串聯諧振頻率fos（1/2π），同時也存在一個並聯諧振頻率fop（1/2π)。由於Co?C，fop與fos之間之差值很小，並且R?ωOL，R?1/ωOC，所以諧振電路的品質因數Q非常高（可達數百萬），從而使石英晶體諧振器組成的振盪器頻率穩定度十分高，可達10－12/日。石英晶體振盪器的振盪頻率既可近似工作於fos處，也可工作在fop附近，因此石英晶體振盪器可分串聯型和並聯型兩種。用石英晶體諧振器及其等效電路，取代LC振盪器中構成諧振迴路的電感（L）和電容（C）元件，則很容易理解晶體振盪器的工作原理。
SPXO的總精度（包括起始精度和隨溫度、電壓及負載產生的變化）可以達到±25ppm。SPXO既無溫度補償也無溫度控制措施，其頻率溫度特性幾乎完全由石英晶體振子的頻率溫度特性所決定。在0～70℃範圍內，SPXO的頻率穩定度通常為20～1000ppm，SPXO可以用作鐘頻振盪器。
溫度補償設備
1TCXO的溫度補償方式
CXO，對石英晶體振子頻率溫度漂移的補償方法主要有直接補償和間接補償兩種類型：
（1）直接補償型
直接補償型TCXO是由熱敏電阻和阻容元件組成的溫度補償電路，在振盪器中與石英晶體振子串聯而成的。在溫度變化時，熱敏電阻的阻值和晶體等效串聯電容容值相應變化，從而抵消或削減振盪頻率的溫度漂移。該補償方式電路簡單，成本較低，節省印製電路板（PCB）尺寸和空間，適用於小型和低壓小電流場合。但當要求晶體振盪器精度小於±1pmm時，直接補償方式並不適宜。
石英晶振
石英晶振（2）間接補償型
間接補償型又分模擬式和數字式兩種類型。模擬式間接溫度補償是利用熱敏電阻等溫度感測元件組成溫度－電壓變換電路，並將該電壓施加到一支與晶體振子相串接的變容二極體上，通過晶體振子串聯電容量的變化，對晶體振子的非線性頻率漂移進行補償。該補償方式能實現±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低電壓情況下受到限制。數位化間接溫度補償是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之後再加一級模/數（A/D）變換器，將模擬量轉換成數字量。該法可實現自動溫度補償，使晶體振盪器頻率穩定度非常高，但具體的補償電路比較複雜，成本也較高，只適用於基地站和廣播電台等要求高精度化的情況。
2.TCXO發展現狀
TCXO在近十幾年中得到長足發展，其中在精密TCXO的研究開發與生產方面，日本居領先和主宰地位。在70年代末汽車電話用TCXO的體積達20?以上，主流產品降至0.4?，超小型化的TCXO器件體積僅為0.27?。在30年中，TCXO的體積縮小了50餘倍乃至100倍。日本京陶瓷公司採用回流焊接方法生產的表面貼裝TCXO厚度由4mm降至2mm，在振盪啟動4ms後即可達到額定振盪幅度的90%。金石（KSS）集團生產的TCXO頻率範圍為2～80MHz，溫度從－10℃到60℃變化時的穩定度為±1ppm或±2ppm；數字式TCXO的頻率覆蓋範圍為0.2～90MHz，頻率穩定度為±0.1ppm（－30℃～+85℃）。日本東澤通信機生產的TCO－935/937型片式直接溫補型TCXO，頻率溫度特性（點頻15.36MHz）為±1ppm/－20～+70℃，在5V±5%的電源電壓下的頻率電壓特性為±0.3ppm，輸出正弦波波形（幅值為1VPP），電流損耗不足2mA，體積1?，重量僅為1g。PiezoTechnology生產的X3080型TCXO採用表面貼裝和穿孔兩種封裝，正弦波或邏輯輸出，在－55℃～85℃範圍內能達到±0.25～±1ppm的精度。國內的產品水平也較高，如北京瑞華欣科技開發有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室溫下精度優於±1ppm，第一年的頻率老化率為±1ppm，頻率（機械）微調≥±3ppm，電源功耗≤120mw。前高穩定度的TCXO器件，精度可達±0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究課題。在小型化與片式化方面，面臨不少困難，其中主要的有兩點：一是小型化會使石英晶體振子的頻率可變幅度變小，溫度補償更加困難；二是片式封裝後在其回流焊接作業中，由於焊接溫度遠高於TCXO的最大允許溫度，會使晶體振子的頻率發生變化，若不採限局部散熱降溫措施，難以將TCXO的頻率變化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技術水平的提高並沒進入到極限，創新的內容和潛力仍較大。
3.TCXO的套用
石英晶體振盪器的發展及其在無線系統中的套用
（a）
(b)
圖2移動通信機電路框圖及其TCXO外觀
由於TCXO具有較高的頻率穩定度，而且體積小，在小電流下能夠快速啟動，其套用領域重點擴展到移動通信系統。
圖2（a）為移動通信機射頻（RF）電路框圖。TCXO作為基準振盪器為傳送信道提供頻率基準，同時作為接收通道的第一級本機振盪器；另一隻TCXO作為第2級本機振盪器，將其振盪信號輸入到第2變頻器。行動電話要求的頻率穩定度為0.1～2.5ppm（－30～+75℃），但出於成本上的考慮，通常選用的規格為1.5～2.5ppm。行動電話用12～20MHz的TCXO代表性產品之一是VC－TCXO－201C1，採用直接補償方式，外觀如圖2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生產。
電壓控制設備
控制電壓使振盪頻率可變或是可以調製的石英晶體振盪器。在典型的VCXO中，通常是通過調諧電壓改變變容二極體的電容量來“牽引”石英晶體振子頻率的。VCXO允許頻率控制範圍比較寬，實際的牽引度範圍約為±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的輸出頻率比石英晶體振子所能實現的頻率還要高，可採用倍頻方案。擴展調諧範圍的另一個方法是將晶體振盪器的輸出信號與VCXO的輸出信號混頻。與單一的振盪器相比，這種外差式的兩個振盪器信號調諧範圍有明顯擴展。
在移動通信基地站中作為高精度基準信號源使用的VCXO代表性產品是日本精工·愛普生公司生產的VG－2320SC。這種採用與IC同樣塑封的4引腳器件，內裝單獨開發的專用IC，器件尺寸為12.6mm×7.6mm×1.9mm，體積為0.19?。其標準頻率為12～20MHz，電源電壓為3.0±0.3V，工作電流不大於2mA，在－20～+75℃範圍內的頻率穩定度≤±1.5ppm，頻率可變範圍是±20～±35ppm，啟動振盪時間小於4ms。金石集團生產的VCXO，頻率覆蓋範圍為10～360MHz，頻率牽引度從±60ppm到±100ppm。VCXO封裝發展趨勢是朝SMD方向發展，並且在電源電壓方面儘可能採用3.3V。日本東洋通信機生產的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就套用於汽車電話系統。該系列VCXO的工作頻率點是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，頻率溫度特性±2.5ppm/－30～+75℃，頻率電壓特性±0.3ppm/5V±5%，老化特性±1ppm/年，內部採用SMD/SMC，並採用雷射束和汽相點焊方式封裝，高度為4mm。日本富士電氣化學公司開發的個人手持電話系統（PHS）等移動通信用VCXO，共有兩大類六個系列，為適應SMT要求，全部採用SMD封裝。Saronix的S1318型、Vectron國際公司的J型、Champion技術公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面貼裝器件，電源電壓為3.3V或5V，可覆蓋的頻率範圍或最高頻率分別為32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，牽引度從±25ppm到±150ppm不等。MF電子公司生產的T－VCXO系列產品尺寸為5mm×7mm，曾被業內認為是外形尺寸最小的產品，但這個小型化的記錄很快被打破。新推出的雙頻終端機用VCXO尺寸僅為5.8mm×4.8mm，並且有的內裝2隻VCXO。Raltron電子公司生產的VX－8000系
分析圖
分析圖圖3壓控SAW振盪器內部結構
圖4OCXO內部結構示圖
列表面貼裝VCXO，採用引線封裝時高度為0.185英寸，採用扁平封裝時僅為0.15英寸，工作頻率可在1～160MHz內選擇，標準頻率調整範圍為±100ppm，線性度優於±10%，穩定度優於±25ppm/0～70℃，老化率為±2ppm/年，輸出負載達10個LSTTL（單價達10美元以上）。
於1998年7月上市的單價2000日元的UCV4系列壓控振盪器（VCO），面向全球移動通信系統（GSM）和個人數字蜂窩電話（PDC），可用頻率範圍為650～1700MHz，電源電壓為2.2～3.3V，尺寸僅為4.8mm×5.5mm×1.9mm，體積為0.05?，重量0.12g。
日本精工·愛普生公司利用ST切型晶片製作的聲表面波（SAW）諧振器（Q≌2000），型號為FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振盪頻率範圍達250～500MHz，頻率初始偏差為±25～100ppm，在－20～60℃範圍內的頻率穩定度是±27ppm，老化率為±10ppm/年。利用FS－555組成的壓控SAW振盪器內部結構如圖3所示。欲擴大頻率調節範圍，可加大串聯電感Lo的電感量。由於SAW諧振器的頻率可達2GHz以上，為壓控SAW振盪器（VCSO）的高頻化提供了一條重要途徑。
恆溫控制設備
CXO是利用恆溫槽使晶體振盪器或石英晶體振子的溫度保持恆定，將由周圍溫度變化引起的振盪器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振盪器，其內部結構如圖4所示。在OCXO中，有的只將石英晶體振子置於恆溫槽中，有的是將石英晶體振子和有關重要元器件置於恆溫槽中，還有的將石英晶體振子置於內部的恆溫槽中，而將振盪電路置於外部的恆溫槽中進行溫度補償，實行雙重恆溫槽控制法。利用比例控制的恆溫槽能把晶體的溫度穩定度提高到5000倍以上，使振盪器頻率穩定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用於移動通信基地站、國防、導航、頻率計數器、頻譜和網路分析儀等設備、儀表中。
OCXO是由恆溫槽控制電路和振盪器電路構成的。通常人們是利用熱敏電阻“電橋”構成的差動串聯放大器，來實現溫度控制的。具有自動增益控制（AGC）的（C1app）振盪電路，獲得振盪頻率高穩定度的比較理想的技術方案。
OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業公司開發的新器件功耗僅為老產品的1/10。在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。該公司使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子製作的OCXO，與使用AT切形石英晶體振子的OCXO比較，具有高得多的頻率穩定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信號功率與噪聲功率的比率（C/N），是表征頻率顫抖的技術指標。在對預期信號既定補償處，以1Hz頻寬為單位來測量相位噪聲。Bliley公司用AT切形晶體製作的NV45A在補償點10Hz、100Hz、1kHz和10kHz處的相位噪聲分別為100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶體製成的同樣OCXO，則在所有補償點上的噪聲性能都優於5dBc/Hz。
金石集團生產的OCXO，頻率範圍為5～120MHz，在－10～+60℃的溫度範圍內，頻率穩定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指標為±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak頻率控制公司的4895型4.096～45MHz雙恆溫箱控制OCXO，溫度穩定度僅為0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率為±0.03ppm/年。如果體積縮小一點，在性能指標上則會有所犧牲。Oak公司生產的10～25MHz表面貼裝OCXO，頻率穩定度為±0.05ppm/0～70℃。PiezoCrystal的275型用於全球定位系統（GPS）的OCXO採用SC切形石英晶體振子，在0～75℃範圍內總頻偏小於±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。Vectron國際公司的CO－760型OCXO，尺寸為25.4mm見方，高12.7mm，在OCXO產品中，體積算是較小的。隨著移動通信產品的迅猛增長，對OCXO的市場需求量會逐年增加。OCXO的發展方向是順應高頻化、高頻率穩定度和低相位噪聲的要求，但在尺寸上的縮小餘地非常有限。
日本金石、始建於1948年的NibonDempaKogyo公司和美國摩托羅位、韓國的Sunny－Emi等公司，都是生產石英晶體器件較大的廠商。國內生產石英晶體振盪器等元器件的單位有原電子工業部第十研究所、北京707廠、國營第875廠和一些合資企業等。我國對人造石英晶體及其元器件的研究開發起步較早，生產能力也較大。就石英晶體振盪器而言，與國外水平比較，主要是在片式化、小型化、高頻化和頻率溫度特性等方面還存在差距。儘快縮小這些差距，進一步擴大生產規模，提高產品性價比，是提高在國際市場上競爭力的必由之路。與此同時，還要跟蹤該器件發展的新動向，如，視頻發生器等振盪器的研究與套用。
晶振術語
標稱頻率
晶體技術條件中規定的頻率，通常標識在產品外殼上。
工作頻率
晶體與工作電路共同產生的頻率。
調整頻差
在規定條件下，基準溫度（25±2℃）時工作頻率相對於標稱頻率所允許的偏差。
溫度頻差
在規定條件下，在工作溫度範圍內相對於基準溫度（25±2℃）時工作頻率的允許
偏差。
老化率
在規定條件下，晶體工作頻率隨時間而允許的相對變化。以年為時間單位衡量時稱為
年老化率。
靜電容
等效電路中與串聯臂並接的電容，也叫並電容，通常用C0表示。
與晶體一起決定負載諧振頻率fL的有效外界電容，通常用CL表示。
負載電容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。
只要可能就應選推薦值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。
負載諧振頻率
在規定條件下，晶體與一負載電容相串聯或相並聯，其組合阻抗呈現為
電阻性時的兩個頻率中的一個頻率。在串聯負載電容時，負載諧振頻率是兩個頻率中較低的一個，在並聯負載電容時，則是兩個頻率中較高的一個。
負載諧振電阻
在負載諧振頻率時呈現的等效電阻。用RL表示。
RL=R1（1+C0/CL）2
激勵電平
晶體工作時所消耗功率的表征值。
激勵電平可選值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等
在振動模式最低階次的振動頻率。
晶體振動的機械諧波。泛音頻率與基頻頻率之比接近整數倍但不是整數倍，這是它與電氣諧波的主要區別。泛音振動有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。
套用指南
HC-49U適用於具有寬闊空間的電子產品如通信設備、電視機、電話機、電子玩具中。
HC-49U/S適用於空間高度受到限制的各類薄型、小型電子設備及產品中。
HC-49U/S．SMD為準表面貼裝型產品，適用於各類超薄型、小型電腦及電子設備中。
UM系列產品主要套用於移動通訊產品中，如BP機、移動手機等。
模式與頻率
基頻 1～35MHz
3次泛音 10～75MHz
5次泛音 50～150MHz
7次泛音 100～200MHz
9次泛音 150～250MHz
晶體電阻
對於同一頻率，當工作在高次泛音振動時其電阻值將比工作在低次振動時大。
溫度頻差
在提出溫度頻差時，應考慮設備工作引起的溫升容限。當對溫度頻差要求很高，同時空間和功率都允許的情況下，應考慮恆溫工作，恆溫晶體振盪器就是為此而設計的。
電容與頻牽
在許多套用中，都有用一負載電抗元件來牽引晶體頻率的要求，這在鎖相環迴路及調頻套用中非常必要，大多數情況下，這個負載電抗呈容性，當該電容值為CL時，則相對負載諧振頻率偏移量為：DL=C1/[2（C0+CL）]。而以CL作為可調元件由DL1調至DL2時，相對頻率牽引為：
DL1，L2= C1（CL1－CL2）/[2（C0+CL1）（C0+CL2）]。
負載電容選擇
晶體工作在基頻時，其負載電容的標準值為20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶體經常工作在串聯諧振，在使用負載電容的地方，其負載電容值應從下列標準值中選擇：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。
激勵電平
一般來講，AT切晶體激勵電平的增大，其頻率變化是正的。激勵電平過高會引起非線性效應，導致可能出現寄生振盪；嚴重熱頻漂；過應力頻漂及電阻突變。當激勵電平過低時則會造成起振阻力不易克服、工作不良及指標的不穩定。
濾波電路套用
套用於濾波電路中時，除通常的規定外，更應注意其等效電路元件的數值和誤差以及寄生回響的位置和幅度，由於濾波晶體設計的特殊性，所以用戶選購時應特別說明。
