石英晶体振荡器
第二章石英晶体振荡器
晶体振荡器
上图是经过简化的电路图并表明了石英晶体振荡器的基本组成元件。石英晶体振荡器中的放大器由至少一个驱动设备，偏压电阻并且可能包含其他用来限制带宽，阻抗匹配和增益控制的元件组成。反馈网络由石英晶体谐振器，和其他元件比如用来协调的可变电容等组成。
晶体振荡器特点
z在振荡频率上，闭合回路的相移为2nπ。
z当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声。满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络
的带宽决定。
z幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小。
z在稳定状态下，闭合回路的增益为1。
振荡与稳定度
z 如果产生相位波动?Δ，频率必然产生偏移f Δ，以维持πn 2的相位条件。对于串
联谐振振荡器，L Q f f 2//?Δ?=Δ，是网络中晶体的负载值Q 值。
“相位斜率”L Q df d /?是与靠近串联谐振频率的成正比的（见第三部分“等效电路”和“频率与电抗的关系”）。
L Q z 大多数振荡器均工作在“并联谐振”上，电抗与频率斜率的关系，即“逆
电容”是与晶体器件的动态电容C1成反比的。
df dx /z 相对于振荡回路中的相位（电抗）波动的最高频率稳定度来说，相位斜率（或电抗
斜率）必须最大，即C1应当最小，而应当最大。石英晶体器件的高值和高的逆电容，决定振荡器元件的基本频率（或频率稳定度）。
L Q Q
可调性和稳定度
要使振荡器谐调在宽的频率范围内，就会降低其稳定度，因为要使振荡器按要求进行调谐，同时也会使振荡器容易受不合要求的调谐因素影响。调谐范围越宽，就越难以保持高的稳定度。例如，如果设计OCXO 的短期稳定度在某一平均时间为1×10-12，而可调性为1×10-7，则晶体的负载电抗在上述平均时间必须稳定在上1×10-5。要获得这样的稳定度使困难的，因为影响负载电抗的因素有：寄生电容和电感、变容二极管的电容与电压特性的稳定度，以及加在变容二极管上的电压的稳定度。此外，1×10-5的负载电抗稳定度不仅必须在开始条件下保持，而且在环境条件（温度、振动、辐射等）变化时，也必须保持。
同时，高稳定度10 MHz 的恒温压控晶振的频率调整范围为5×10-7，老化率为2×10-8/y ，而宽调谐范围的10 MHz 压控晶振的调谐范围为50 ppm ，老化率为2 ppm/y 。
振荡器的缩写 经常使用的
其他 XO ………… 晶体振荡器
VCXO ………压控晶体振荡器
OCXO ………恒温控制晶体振荡器
TCXO ………温度压控晶体振荡器 TCVCXO ……温度补偿压控晶体振荡器OCVCXO ……恒温控制压控晶体振荡器MCXO ………微机补偿晶体振荡器 RbXO ………铷晶体振荡器
从历史上来说，在美国，军事上的需求已成为研究石英振荡器的主要推动力。特别是在早期美国军方资助大部分的研究。按照民间说法，缩写XO 代替CO 的主要原因是，在美国军队里，CO 是“指挥官”的缩写而且由于“crystal ”听起来有点象“xtal ”。（随后，有人指
出，XO是在军队中是“执行官”的缩写，但这以后，XO是“石英振荡器”的缩写就逐渐被人接受）。
石英晶体振荡器的分类
以晶体器件的频率温度特性来分类的三种晶体振荡器是：
XO，晶体振荡器，这种振荡器没有能够降低晶体频率温度特性的器件（也称为密封式晶体振荡器PXO）。
TCXO，温度补偿晶体振荡器，在这种振荡器中，来自温度传感器（热敏电阻）的输出信号被用来产生校正电压，加在晶体网络中的变容二极管上。电抗的变化用以补偿晶体的频率温度特性。模拟的TCXO在晶体的频率随温度变化的范围内能够提供大概20倍的改善。
OCXO，恒温控制晶体振荡器，在这种振荡器中，晶体和其他温度敏感元件均装在稳定的恒温槽中，而恒温槽被调整到频率随温度的变化斜率为零的温度上。OCXO能够在晶体频率随温度变化的范围内提供1000倍以上的改善。
晶体振荡器的分类
振荡器的等级
振荡器类型*准确度**典型应用
晶体振荡器(XO) 10-5~10-4计算机定时
温度补偿晶体振荡器(TCXO) 10-6在战术无线电传送中作频率控制
微机补偿晶体振荡器(MCXO) 10-8 ~10-7频谱展宽系统的时钟
恒温控制晶体振荡器(OCXO) 10-8导航系统时钟和频率标准，MTI雷达
小型原子频率标准(Rb，RbXO) 10-9C3卫星终端，收发分置和多收发分置雷达高性能原子频率标准(C s) 10-12~10-11战略C3、电子战
* 尺寸比时钟振荡小5cm3，比铯频率标准小30L，价格比时钟振荡器低$5，比铯频率标准高$40,000
**包括周围环境的影响（-40℃到75℃）和一年的老化。
振荡器电路类型
在许多振荡器电路中，有三种常用的振荡器电路，它们是皮尔斯振荡电路，考毕兹振荡电路和克拉普振荡电路。这些振荡电路除了频射接地点位置不同外，电路的构成都是相同的。布特勒和修正的布特勒振荡电路也是彼此相似的，每一种电路中的发射极电流就是晶体的电流。门电路振荡器是皮尔斯型的，它使用了一个逻辑门并在皮尔斯振荡器的晶体管位置加了一个电阻。（某些门电路振荡器使用一个以上的门电路。）
振荡器电路类型的选择取决于以下因素：所要求的频率、稳定度、输入电压和功率，输出功率和波形、可调性、设计的复杂性、成本和晶体器件的特性。
在皮尔斯系列中，接地点位置对性能有很大的影响。皮尔斯电路的接法相对于寄生电抗和偏置电阻来说，一般要好于其他几种电路，因为它们多半是跨接在电路的电容上，而不是跨接在晶体器件上。它是高稳定度振荡器应用最广泛的电路之一。在考毕兹电路的接法中，较大部分寄生电容出现在晶体的两端，同时偏置电阻也跨接在晶体上，这就会降低性能。克
拉普电路的接法很少使用，因为集电极直接于晶体连接，这就很难将直流电压加在集电极上而有不引入损耗或寄生振荡（更详细的内容，见参考文献）。
虽然皮尔斯系列可以通过把电感与晶体串联起来使它工作在串联谐振上，但是它一般还是工作在“并联谐振”上（参见第3部分电阻频率与电抗的关系）。布特勒系列通常工作在（或接近）串联谐振上，皮尔斯系列可以被设计用来使晶体电流高于或低于发射极电流情况下进行工作。
当高稳定性不是主要考虑的问题时，门电路振荡器时数字系统的常用电路。
OCXO
型简要示意图
每一种OCXO 都主要由三部分组成，即石英晶体，持续电路和恒温，他们都会引起不稳定。不同情况下的不稳定将会在第3章余下的部分和第4章中讨论
振荡器的不稳定性——通常表达式
()
f 1/22L f L resonator oscillator f d φf Q 2f 12Q 1f f f f ???????????????++≈ΔΔ
这里的Q L 是谐振器受到的载荷Q ，d φ(f f )是在闭合电路发生小变化后，远离信号频率f 的偏移频率f f 相位。系统的相位变化和闭合电路中的相位噪声来自于谐振器或持续电路。取Q L 的最大值能有效减小噪声的影响和由于环境引起的持续电子装置的改变。在一个实际的振荡器设计中，谐振器在偏移频率影响下的短期不稳定性比谐振器的半带宽要小，且由于持续电路和从闭合电路中大量能量的的传送会引起更大的偏移。
持续电路引起的不稳定性
负载电抗变化—增加一个负载电容到晶体上来改变频率，设
()
L C C C f f f +?Δ≡012δ
则
()()
2012L L C C C C f +??ΔΔδ 例如：如果C0=5pF ，C1=14pF ，CL=20pF ，则△CL=10pF(=5×10-4)引起约1×10-7频率变化，而CL 老化率是每天10ppm 使得振荡器的老化率为每天2 X 10-9
激励电平变化：对于10MHz 的3次泛音SC 切，一般每毫安平方10-8。
晶体的直流偏压也能引起振荡器的老化。
调谐电路引起的不稳定性
许多振荡器包含调谐电路比如匹配电路和滤波器，为了防止不必要的模式。在调谐电路里的感应系数和电容量在小变化后的影响由下给出
()???
?????+????????????????????+≈≈c L c dL c C c dC Q c Q BW 2f 112Q f d f f f L f oscillator φΔ
这里的BW 式滤波器的带宽，ff 是滤波器相对于中心频率的偏移频率，QL 是谐振器上的载荷Q ，QC ，LC 和CC 分别是调谐电路的Q 值，感应系数和电容量。
电路噪声引起的不稳定性
由持续电路中闪变PM 噪声 引起的闪变FM ，对振荡器的输出频率有着一定的影响
()()2L 3f 2
ckt f osc Q 4f f 1Hz f L L = 和()()1Hz ln2Q 1y ckt L
L =τσ 这里的f f 是载波频率f 的偏移频率，Q L 是振荡器电路上的载荷Q ，L ckt (1HZ)是f=1HZ 时的闪变 PM 噪声，τ 时任意测量时间内的闪变基底范围。对于Q L =106和L ckt （1HZ ）= -140dBc/Hz ，σy (τ) = 8.3 x 10-14。 ( L ckt (1Hz) = -155dBc/Hz 已经能够实现.)
外载荷引起的不稳定性
如果外载荷发生变化，反射回振荡器的电波振幅或相位也会随着改变。到达振荡回路的一部分信号改变了振荡器的相位，因此频率变成：
()()isolation sin 112Q 12Q f d f f f oscillator θΓΓΔ??????+??????
?≈≈φ 这里Γ是载荷的电压驻波，θ是反射波的相位角。
振荡器的输出
大多数用户要求正弦波输出，或者TTL兼容，或者CMOS兼容，或者ECL兼容输出。后三种输出都可以正弦波产生。现在对4中输出类型说明如下。虚线表示输入电压，实线表示输出。对于正弦波振荡器来说，对于正弦波振荡器没有“标准的”输入电压。CMOS的输入电压一般为1~10V。
振荡器的温度自测
fβ是振荡器正在振荡时的振荡器温度，因此除了振荡还要消除温度计的需要。因为SC 切型时热瞬时补偿，由于受到温度和振荡下的温度梯度的影响，热瞬时效应也被消除。
热拍频率的产生 低通滤波器 X3
增加器
3
微机补偿石英振荡器使用高稳定性的10MHz Sc 切型石英晶体谐振器和双模振荡器，这能同时激发谐振器的和3次泛音模式。拍频率可以是基频模式乘3然后减去3次泛音频率，如图所显，或者3次泛音频率除3，这样得到拍频率f β = f1 - f3/3。如前图所式，拍频率是单调的并且几乎是温度的线性函数。它提供了一个高精度，数字显示的振动范围的温度，因此就不需要外加的温度计。
微机补偿晶体振荡器
微机补偿晶体振荡器频率相加方法
结构图
在频率叠加方法中，直接数字频率合成器（DDS）基于N2产生一个校正频率fd，从而在所有温度情况下f3 + fd = 10MHz。相位锁定回路把电压控制晶体振荡器的频率精确的控制在10MHz。
在“频率模式”中，1PPS的输出是从10MHz除以一些数得到的。在能量守恒的“调速方式”中，1PPS是直接从f3驱动直接数字频率合成器，并通过使用不同的校正公式产生的。锁相环和一部分数字电路被关闭。在校正的同时，微处理器准备“休眠”，并且定时被延长来减少能量的需求。
微机补偿晶体振荡器——脉冲消除方法
在脉冲消除方法中，SC切型的谐振器频率要稍微高于输出频率f0。比如，如果f0为10MHz，则SC切型谐振器的频率在设计的温度范围内都要略高于10MHz。双模振荡器提供两种输出信号，其中之一fβ为谐振器的温度指标。信号均由微机进行处理，它根据fβ来确定对fc的必要修正，然后从fc中减去所需要的脉冲数，以得到校正输出f0。在适时修正间隔(~ 1 s)内不能减去的小部分脉冲被用作进位脉冲，所以长期平均值在±2 x 10-8设计准确度内。PROM中的校正数据对每个晶体来说都是唯一的，并且根据fc和fβ输出信号的精密温度特性获得的。已校正的输出信号f0能够再分频，来产生1pps的时间参考或能够直接用来驱动时钟。由于在脉冲消除过程中产生了有害的噪声，必须对附加信号进行处理，以提供用于频率控制的有用频射输出。例如，可以通过锁定VCXO的频率f0把MCXO的频率准确度传递给另一个低噪声低成本压控晶体振荡器（VCXO）来完成这项工作。
微机补偿晶体振荡器—温度补偿晶体振荡器比较
参数微机补偿晶体振荡器温度补偿晶体振荡器切型及泛音 SC切型3阶 AT切型1阶
允许切角误差大小
金属封装误差大小
入射倾角次要重要
滞后现象(-550C 到 +850C) 10-9到 10-810-7到 10-6年老化率 10-8到 10-710-7到 10-6
光电子振荡器
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）2 11、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、、、、50μW、20μW、10μW、1μW、μW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。 HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。 HC-49U/S?SMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。 柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。 UM系列产品主要应用于移动通讯产品中，如BP机、移动手机等。 石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保
高频石英晶体振荡器仿真报告
燕山大学石英晶体振荡器设计报告 题目： 专业：电子信息工程 姓名：李飞虎 指导教师：李英伟 院系站点：信息科学与工程学院 2014年11 月17 日 高频石英晶体振荡器仿真报告
1.振荡器电路属于一种信号发生器类型，即表现为没有外加信号的情况下能自动生成具有一定频率、一定波形、一定振幅的周期性交变振荡信号的电子线路。振荡器起振时是将电路自身噪声或电源跳变中频谱很广的信号进行放大选频。此时振荡器的输出幅值是不断增长的，随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或者截止区，其增益逐渐下降，当放大器增益下降而导致环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡，进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态后，直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。 2，串联晶体振荡器 在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。图1-1和图1-2显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。串联型晶体振荡器只能适应高
次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。 图1-1 图1-2 设计参数在仿真图上，首先进行静态分析，根据仿真，各元件参数符合要求。对于振荡器，当该电路接为串联型振荡器时，晶体起到选频短路线的作用，（与三端电容振荡器相同）输出频率应为3MHZ. L1,C1,C2组成谐振回路，参数符合要求，即f0=3MHZ。 3.并联晶体振荡器 并联振荡器分为c-b型和b-e型。前者相对稳定。所以我设计的是c-b型。 参数分析与前者类似。交流参数确定时，并联振荡电路中晶振接在谐振回
石英晶体振荡器原理
石英晶体振荡器的基本工作原理及作用 (1)石英晶体振荡器（简称晶振）的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（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。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0.0002～0.1pF。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100Ω。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1000～10000。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。
实验 石英晶体振荡器(严选材料)
实验四石英晶体振荡器 一、实验目的 1、熟悉石英晶体振荡器的基本工作原理； 2、掌握静态工作点对晶体振荡器工作的影响。 3、掌握晶体振荡器频率稳定度高的特点，了解晶体振荡器工作频率微调的 方法。 二、实验原理 1、电路与工作原理 一种晶体振荡器的交流通路如图4-1所示。若将晶体短路,则L1、C2、C3就构成了典型的电容三点式振荡器(考毕兹电路)。因此，图4-1的电路是一种典型的串联型晶体振荡器电路（共基接法）。若取L1=4.3μH、C2=820pF、C3=180pF，C4=20nF，则可算得LC并联谐振回路的谐振频率f≈6MHz，与晶体工作频率相同。图中，C4是微调电容，用来微调振荡频率 C5是耦合电容，R5是负载电阻。很显然，R5越小，负载越重，输出振荡幅度将越小。 图4-1 晶体振荡器交流通路 2、实验电路
如图4-2所示。1R03、1C02为去耦元件，1C01为旁路电容，并构成共基接法。1W01用以调整振荡器的静态工作点（主要影响起振条件）。1C05为输出耦合电容。1Q02为射随器，用以提高带负载能力。实际上，图4-2电路的交流通路即为图4-1所示的电路。 三、实验内容 1、观察振荡器输出波形，测量振荡频率和振荡电压峰值Vp-p。 2、观察静态工作点等因素对晶体振荡器振荡幅度和频率的影响。 四、实验步骤 （一）模块上电 将晶体振荡器模块⑤，接通电源，此时电源指示灯点亮。 （二）测量晶体振荡器的振荡频率 把示波器接到1P01端，顺时针调整电位器1W01，以改变晶体管静态工作点，读取振荡频率（应为6MHZ）。 （三）观察静态工作点变化对振荡器工作的影响
石英晶体谐振器应用
石英晶体谐振器应用 石英晶体谐振器的应用利用电信号频率等于石英晶片（或棒）固有频率时晶片因压电效应而产生谐振现象的原理制成的器件。它由石英晶片（或棒）、电极、支架和外壳等构成，在稳频、选频和精密计时等方面有突出的优点，是晶体振荡器和窄带滤波器等的关键元件。 石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为49U、49U/S、49U/S、1、5及柱状晶体等。 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。 49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。 49U/S·SMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。 柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。 UM系列产品主要应用于移动通讯产品中，如BP机、移动手机等。 石英晶体谐振器应用于频率控制和频率选择电路。本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。 1、振动模式与频率关系：
基频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 2、晶体电阻：对于同一频率，当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。 "信号源+电平表"功能由网络分析仪完成 Ri、R0：仪器内阻：一般为50Ω R1--滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。 R2--滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。 在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。 3、工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时，应考虑设备工作引起的温升容限。当对温度频差要求很高，同时空间和功率都允许的情况下，应考虑恒温工作，恒温晶体振荡器就是为此而设计的。 4、负载电容与频率牵引：在许多应用中，都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求，这在锁相环回路及调频应用中非常必要，大多数情况下，这个负
石英晶体振荡器设计报告
石英晶体振荡器设计报告 张炳炎 09微电03 目录 1 设计要求 2 设计方案论证 a.电路形式的选取 b.参数的设计、估算 c. 设计内容的实现 3 电路的工作原理 4 晶体振荡器的特点 5 电路设计制作过程中遇到的主要 问题及解决方法、心得和建议 6 参考文献 7 附录
1设计要求 （1）晶体振荡器的工作频率在100MHZ以下 （2）振荡器工作可调，反馈元件可更换 （3）具有三组不同的负载阻抗 （4）电源电压为12V （5）在10K负载上输出目测不失真电压波形Vopp>=4V,振荡器频率读出5为有效数字 2设计方案论证 a.电路形式的选取: 串联型石英晶体振荡器 串联型石英晶体振荡器交流等效电路 石英晶体的物理和化学性能都十分稳定,等效谐振回路具有很高的标准性,Q值很高,对频率变化具有极灵敏的补偿能力具有.利用石英晶体作为串联谐振元件,在谐振时阻抗接近于零,此时正反馈最强,满足振荡条件.因此,电路的振荡频率和频率稳定度都取决于石英晶体的串联谐振频率.
b.参数的设计、估算 选用石英晶体（6M）作为串联谐振元件，提高振荡器的标准性，三极管为高频中常用的小功率管9018，作为放大电路的主要器件，选用阻值较大的可调电阻Rp（50k）来调节电路的静态工作点，使输出幅值达到最大而不失真，在LC 组成的谐振回路加可变电容（100p）调节谐振频率。三组负载分别为1k、10k、110k，用来比较对振荡器频率及幅值的影响。 c. 设计内容的实现 ○1输入电源电压12V,测试电路的静态工作点, 三极管 Vbe>,Vc>Vb>Ve,三极管工作在放大区。 ○2输出端接上示波器，观察到正弦波，通过改电位器、可变电容使输出的幅值达到最大。 ○3改变负载值，测量不同负载下电路输出的频率及幅值大小。可知,负载几乎对频率没有影响,因为输出的频 率主要由石英晶体决定,而幅值随着负载的减小而略 微下降,当空载时幅值最大。
晶体振荡原理
石英晶体、晶振介绍 文摘2010-10-25 23:36:39 阅读50 评论0 字号：大中小订阅 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器、手机等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。可以说只要需要稳定时钟的地方，就必需要有晶体振荡器。一：认识晶体、晶振 常见晶体振荡器有两类，一类是无源晶体，也叫无源晶振，另一类是有源晶振，也叫钟振。 无源晶体外形如下图： （HC-49S 插脚） （HC-49S/SMD 贴片） 无源晶体以以上两种封装的晶体最为常用，广泛应用于普通设备上，尤其是嵌入式设备，若对体积大小有要求，可以选择更小的贴片封装，如下图： （XG5032 贴片）（XS3225 贴片1，3脚有效，2，4脚为空脚） 当前消费类电子如手机，MP4，笔记本等，XS3225封装最为常用。具体关于晶体的封装及参数信息，请参考国内最大的高端晶体晶振厂家：浙江省东晶电子股份有限公司网站提供的信息：https://www.360docs.net/doc/ff14507276.html,/product.aspx/23 无源晶体说穿了就是封装了一下晶体，在晶体两面镀上电极引出两根线即可，那么有源晶振就是在无源晶体的基础上加了一个晶体振
荡电路，，比如采用一个74HC04或者54HC04之类的非门与晶体勾通三点式电容振荡电路，所以它具有电源，地，时钟输出三个脚，有些还会增加一个脚，就是晶振工作控制脚，当不需要工作的时候，可以关掉晶振降低功耗。如下图： （OS3225 与XS3225外形一样，只是脚位定义不同1：EN控制脚，2：GND地，3：OUT信号输出，4：VCC电源，一般为3.3V 或者5V）。 晶振内部振荡电路等效图如下： 非门5404的输出脚2就是信号输出脚。 二：晶体振荡电路原理分析（本篇由东晶电子网上独家代理创易电子提供技术文档https://www.360docs.net/doc/ff14507276.html,） 我们以最常见得MCU振荡电路为例,参考电路如下：
晶体振荡器电路+PCB布线设计指南
AN2867 应用笔记 ST微控制器振荡器电路 设计指南 前言 大多数设计者都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少有人真正了解它是如何工 作的，更遑论如何正确的设计。我们经常看到，在振荡器工作不正常之前，多数人是不愿付出 太多精力来关注振荡器的设计的，而此时产品通常已经量产；许多系统或项目因为它们的晶振 无法正常工作而被推迟部署或运行。情况不应该是如此。在设计阶段，以及产品量产前的阶 段，振荡器应该得到适当的关注。设计者应当避免一场恶梦般的情景：发往外地的产品被大批 量地送回来。 本应用指南介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一些指导作法来帮助用户如何规划一个好的 振荡器设计，如何确定不同的外部器件的具体参数以及如何为振荡器设计一个良好的印刷电路 板。 在本应用指南的结尾处，有一个简易的晶振及外围器件选型指南，其中为STM32推荐了一些晶 振型号(针对HSE及LSE)，可以帮助用户快速上手。
目录ST微控制器振荡器电路设计指南目录 1石英晶振的特性及模型3 2振荡器原理5 3Pierce振荡器6 4Pierce振荡器设计7 4.1反馈电阻R F7 4.2负载电容C L7 4.3振荡器的增益裕量8 4.4驱动级别DL外部电阻R Ext计算8 4.4.1驱动级别DL计算8 4.4.2另一个驱动级别测量方法9 4.4.3外部电阻R Ext计算 10 4.5启动时间10 4.6晶振的牵引度(Pullability) 10 5挑选晶振及外部器件的简易指南 11 6针对STM32?微控制器的一些推荐晶振 12 6.1HSE部分12 6.1.1推荐的8MHz晶振型号 12 6.1.2推荐的8MHz陶瓷振荡器型号 12 6.2LSE部分12 7关于PCB的提示 13 8结论14
石英晶体振荡器电路设计
辽宁工业大学 高频电子线路课程设计（论文）题目：石英晶体振荡器电路设计 院（系）：电子与信息工程学院 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 2014.6.16-2014.6.27
课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程 注：成绩：平时20% 论文质量50% 答辩30% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目 石英晶体振荡器电路设计 课 程设计（论文）任务 要求：1．设计一个石英晶体振荡器 2．能够观察输入输出波形。 3．观察振荡频率。 参数：振荡频率10000HZ 左右。 设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 指导教师评语及成绩 平时成绩(20%)： 论文成绩(50%)： 答辩成绩(30%)： 总成绩： 学生签字： 年 月 日
目录 第1章绪论 (1) 1.1石英晶体振荡器 (1) 1.2设计要求 (1) 第2章石英晶体振荡器设计电路 (2) 2.1石英晶体振荡器总体设计方案 (2) 2.2具体电路设计 (2) 2.2.1串联型晶体振荡器 (2) 2.2.2并联型晶体振荡器 (4) 2.2.3输出缓冲级设计 (5) 2.3元件参数的计算 (5) 2.4Multisim软件仿真 (6) 2.4.1串联型振荡器输出测试 (6) 2.4.2并联型振荡器输出测试 (7) 第3章课程设计总结 (9) 参考文献 (10) 附录Ⅰ总体电路图 (11) 附录Ⅱ元器件清单 (12)
石英谐振器的原理与应用
目录 一、石英谐振器概述 二、石英谐振器的工作原理 2、1石英晶体材料 2、2 石英晶体的压电效应 2、3 石英晶体的切型 2、4 石英片的基本振动模式（常见） 2、5 各种切型的频率温度特性 2、6 石英谐振器的组成和特性 2、7 石英谐振器的稳频条件及应用须知 2、8 石英谐振器的常用电参数的符号和意义 2．9 石英谐振器的常用测量方法 2．10 石英晶片的制造流程 2．11 石英晶体谐振器的制造流程 三、选择石英谐振器应考虑的问题 3、1 频率的选择 3、2 使用环境条件的考虑 3、3 根据用途合理选用石英谐振器 3、4 正确选择负载电容 3、5 激励电平的选择和控制 3、6 使用石英谐振器应注意的事项 四、石英振荡电路的应用 4、1 石英振荡电路的组成 4、2 振荡电路的Cg/Cd的选择要点和相关外围元件的注意事项4、3 根据选定的Cg/Cd 值计算XTAL的负载电容CL值。4、4 Rf 值选取 4、5 Rd的选取 4、6 其它注意事项 五、石英产品的性赖性试验 六、失效原因分析 七、今后发展方向
一、概述: 压电效应是一八八零年由法国物理学家居里兄弟（皮埃尔居里和杰克居里）发现的。早期一战利用石英的压力效应制成强力超声波辐射器。二战时期利用石英晶体具有稳定的物理和化学性能，制成的元器件在稳频方面比其它元件显出突出的优越性，而广泛使用于通讯领域。 石英谐振器的稳频特性也不断提高，二战时可在10-6/周，19世纪50年代初10-8 /周，19世纪50年代末已可达10-9/周～10-10/周。 随着通信发展和制造技术的发展，石英谐振器的频率范围也逐渐向上发展从100KHZ ～10MHZ ，以后发展到数百MHz ，3RD 发展到1G 以上，5th 发展到2GHz 以上。 石英谐振器的使用范围也从军事领域发展民用各使用频标或时标领域如：电子表，电子玩具，彩电，收发讯机，家用电器，PC 机等各领域。 石英谐振器的产品体积也不断地缩小，从传统的大尺寸发展到J1，49U ，49S ；直到近年来发展SMD 表面贴装，尺寸进一步缩小，从7050，6035，5032，发展到4025，3225，2520，2016，已能够适应安装于更小型、微型的产品中去。 二、石英谐振器的工作原理： 2．1 石英晶体材料 石英是人造的二氧化硅（SiO 2 ）结晶体，因其形态晶莹透明如水，所以也称“水晶”。由 于天然水晶矿藏稀少，且常见的疵病较多，如：裂痕，气泡，包裹体，蓝针，双晶等。而制造石英谐振器的材料必须保证内部没有缺陷，否则会严重影响石英谐振器的性能。在人工合成水晶工业生产成功后，大部分石英谐振器都用人造水晶制造，从而降低成本，满足电子发展的需要。 （A ） 石英晶体的晶面和轴向 一个理想的石英晶体的外形，中间是个六面棱柱体，二端为两个六面棱锥体。石英晶体有六个柱面（M 面），六个大柱面（R 面），六个小棱面（r 面），六个X 面和六个S 面，总共有30个晶面。 石英晶体分左旋和右旋， 互称镜面对称，左右旋石英在物理上也呈镜象对称关系。 晶体按其结构对称，可分为七大晶系和32种对称类型（也称晶群），其中有十二类因其对称程度太高而无压电效应，另外二十类具有压电效应。石英晶体属于三角晶系32点群。 石英晶体的轴向，按其物理特性把X 轴称为电轴，因为该方向具有压电效应；把Y 轴称为机械轴，因为在Y 轴方向只产生形变而无压电效应；把Z 轴称为光轴，因为光线沿Z 轴方向不产生双折射现象。 （B ） 石英晶体的物理化学特性 石英晶体是各向异性结构晶体，轴向不同，物理化学性质也不同。石英晶体的主要物理特性，当温度为20℃时，它的密度为2.65g/cm 3，一级密度温度系数为-36.4×10-6/℃，硬度 是
石英晶体振荡器的主要参数
石英晶体振荡器的主要参数 标称频率fo：存规定的负载电容下，晶振元件的振荡频率即为标称频率矗。标称频率足晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。需要注意的是，晶体外壳所标注的频率，既不是串联谐振频率也不足并联谐振频率，而足在外接负载电容时测定的频率，数值介于串联谐振频率与并联谐振频率之间。所以即使两个晶体外壳所标注的频率是一样的，其实际频率也会有些小的偏差（1．艺引起的离散性）。 常用普通晶振标称频率有48kHz、500kHz、503.5kHz、l -40.50MHz等，对于特殊要求的晶振频率可达到IOOOMHz以上。 负载电容：品振元件相当于电感，组成振荡电路时需配接外部电容，此电容目U负载电容。负载电容是与晶体一起决定负载谐振频率f的有效外界电容，通常用CL表示。设计电路时必须按产品手册巾规定的CL值，才能使振荡频率符合晶振的fL。在应用晶体时，负载电容(C。)的值是卣接由厂家所提供的，无需冉去计算。常见的负载电容为8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、lOOpF。』I要可能就应选lOpF、20pF、30pF、50pF、lOOpF 这样的推荐值。 负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英品体振荡器有两个谐振频率：一个是串联谐振品振的低负载电容晶振：另一个为并联谐振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求贞载电容一致，不能冒然互换，否则会造成电器工作不止常。 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若。 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℃t2℃)时工作频率的允许偏差。 老化率：在规定条件下，晶体T作频率随时间向允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。
晶体振荡器工作原理
晶体振荡器工作原理 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 石英晶体振荡器的基本原理 石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）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、陶瓷或塑料封装的。 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。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。 符号和等效电路 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来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。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度。 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（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）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，可定性画出它的电抗—频率特性曲线。可见当频率低于串联谐振频率fs 或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 石英晶体振荡器类型特点 石英晶体振荡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，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是一种用于频率稳定和选择频率的电子器件，它的主要作用是提供频率基准，由于它具有高稳定的物理化学性能、极小的弹性震动损耗以及频率稳定度高的特点，因此被广泛用于远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，是目前其它类型的振荡器所不能替代的. 一、石英晶体谐振器的结构、振荡原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）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、陶瓷或塑料封装的。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。 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。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。 二、石英晶体振荡器的等效电路与谐振频率 1、等效电路 石英晶体谐振器的等效电路如下图所示。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Co，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，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L1来等效。一般L1的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C1来等效，C1的值很小，一般只有0.2fF～100fF(1PF=1000fF)。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R1来等效，它的数值约为10-100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C1很小，R1也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。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度。 其中 C o ：静电容，包括晶体两电极之间的电容和引线及基座带来的电容，它的单位是PF。 L 1 ：等效动电感，即通常说的动态电感； C 1 ：等效动电容，即通常说的动态电容。晶振的动态电容由晶体的切割型式,大小尺寸决定。 R 1 ：等效电阻，一般叫谐振电阻或者动态电阻。 总之：等效电路由动态参数L 1、C 1、 R 1 和静电容C 组成。这些参数之间都是有联系 的，一个参数变化时可能会引起其他参数变化。而这些等效电路的参数值跟晶体的切型、振动模式、工作频率及制造商实施的具体设计方案关系极大。 2、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： （1）当L1、C1、R1支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R1）。 串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性；
石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 一、石英晶体振荡器的基本原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）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、陶瓷或塑料封装的。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。 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。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2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来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R 也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。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度。 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（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）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，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd 极窄的范围内，石英晶体呈感性。 二、石英晶体振荡器类型特点 石英晶体振荡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，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（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。 普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±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21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
石英晶体谐振器射频特性及模型推导
石英晶体谐振器射频特性及模型推导 石英晶体谐振器（英文：quartz crystal unit或quartz crystal resonator，常简写成Xtal），简称石英晶体或晶振，是利用石英晶体（又称水晶）的压电效应，用来产生高精度振荡频率的一种电子元件，属于被动元件。该元件主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。根据引线状况可分为直插（有引线）与表面贴装（无引线）两种类型。现在常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49/S、UM-1、UM-4、UM-5与SMD。 历史 压电效应是由雅克·居里与皮埃尔·居里于1880年发现。保罗·朗之万在第一次世界大战期间首先探讨了石英谐振器在声纳上的应用。第一个由晶体控制的电子式振荡器，则是在1917年使用罗谢尔盐所作成，并于1918年由贝尔电话实验室的Alexander M. Nicholson取得专利[1]，虽然与同时申请专利的Walter Guyton Cady 曾有过争议[2]。 Cady 于1921年制作了第一个石英晶体振荡器[3]。对于石英晶体振荡器的其他早期创新有贡献的还有皮尔斯(G. W. Pierce)与 Louis Essen。 工作原理 晶体是指其中的原子、分子、或离子以规则、重复的模式朝各方向延伸的一种固体。 晶体与几乎所有的弹性物质都具有自然共振频率，透过适当的传感器可加以利用。例如钢铁具有良好弹性、音速快，在石英晶体大量应用以前，钢铁被用作机械式滤波器（英语：Mechanical filter）。共振频率取决于晶体的尺寸、形状、弹性、与物质内的音速。高频用的晶体通常是切成简单的形状，如方形片状。典型的低频用晶体则常切成音叉形，例如手表用的那种。如不需要太高的精确度，则也可以使用陶瓷谐振器（英语：Ceramic Resonator）取代石英晶体谐振器。运用石英晶体上的电极对一颗被适当切割并安置的石英晶体施以电场时，晶体会产生变形。这就是压电效应。当外加电场移除时，石英晶体会恢复原状并发出电场，因而在电极上产生电压。这样的特性造成石英晶体在电路中的行为，类似于某种电感器、电容器、与电阻器所组合成的RLC电路。组合中的电感电容谐振频率则反映了石英晶体的实体共振频率。 石英晶体的优点是在温度变化时，影响震荡频率的弹性系数与尺寸变化轻微，因而在频率特性上表现稳定。共振的特性还取决于振动模式与石英的切割角度(相对于晶轴而言)，目前常用的是 AT 切割，它的振荡是厚度剪切(thickness shear)振荡模式。此外，在需要高精密度与稳定性的严格场合，石英晶体会放置于恒温箱(Crystal oven)与吸振容器内，以防止外部温度与震动的干扰。
基于石英晶体的正弦波振荡器
晶体振荡器的基本知识 下图是石英晶体谐振器的等效电路。图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为 f q=1/2πLqCq，f0= f q Co 1 Cq/ 图1 晶体振荡器的等效电路 当W＜Wq或W> Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于Lq很大，即使在Wq处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图所示。实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。 图2 晶体的电抗特性曲线 设计内容及要求 一设计目的及主要任务 1设计目的 掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。 2 并联型晶体振荡器 图 3 c-b型并联晶体振荡器电路 图 4 皮尔斯原理电路图 5 交流等效电路 C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L上，其值为 C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3) C q/ (C0+C L)<<1
二详细设计步骤 1、电路的选择 晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。 图 6 工作电路 2、选择晶体管和石英晶体 根据设计要求， =300MHz；≥40，取选择高频管2N3904型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下： T =60；NPN型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po= ；≈ / =5 MHz。 T 石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为： 标称频率。=6 MHz；工作温度：-40℃~+70℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：~。 3、元器件参数的计算 a）、确定三极管静态工作点 正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R b1、R b2、R e、R决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。 图7 直流通路等效电路 高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。取I CQ (.1) I b2=10 I BQ=，则取： Ω，以便工作点的调整。 b1b2 b）、交流参数的确定 对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为6MHZ，则由晶振参数知负载电容C L=10pF，即C2，C3，C1串联后的总电容为10 pF 根据负载电容的定义，C L=1/[(1/C1,2)+1/C3] 由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2 则C1=51pF，C2=100pF，C3=30pF
石英晶体振荡器的原理以及特点
石英晶体振荡器的原理以及特点,参数 石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。 一、石英晶体振荡器的基本原理 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）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、陶瓷或塑料封装的。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。 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。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2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来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。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度。 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（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）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，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在 fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。 二、石英晶体振荡器类型特点 石英晶体振荡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，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制
石英晶体振荡电路
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0.1pF, 因此, C<